AI異構計算架構對比分析

書店上新，下載提醒！《人工智慧晶片技術深度分析》採用圖文並茂，深入淺出，內容包括人工智慧晶片概述、人工智慧晶片關鍵技術、GPU晶片技術分析、FPGA晶片技術分析、ASIC晶片技術分析、類腦晶片分析、人工智慧晶片專利分析、人工智慧晶片全球市場分析、人工智慧晶片在國內發展情況等7個章節。

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知識全解系列

儲存系統基礎知識全解（PDF）

儲存系統基礎知識全解（PPT版）

伺服器基礎知識全解(終極版)

SSD快閃記憶體技術基礎知識全解

（持續更新中…）

資料中心網路知識全解（PPT）

人工智慧基礎知識全解（含實踐）

CPU基礎知識全解（PPT）

GPU基礎知識全解（PPT）

AI晶片主要分為CPU 、GPU、FPGA以及ASIC。其中以CPU、GPU、FPGA、ASIC的順序，通用性逐漸減低，但運算效率逐步提高。

FPGA，即現場可程式設計門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可程式設計器件的基礎上進一步發展的產物。

為解決能耗限制，無法使處理器核心同時運作，及效能提升有限的問題，業界提出的另一個方案就是採用“定製計算”，也就是為特定的工作場景和負載最佳化硬體設計。FPGA（“現場可程式設計邏輯陣列”）應運而生。

FPGA本質是一種可程式設計的晶片。可以把硬體設計重複燒寫在它的可程式設計儲存器裡，從而使FPGA晶片可以執行不同的硬體設計和功能。FPGA具備以下優勢：

可程式設計靈活性高：FPGA屬於半定製電路，理論上，如果FPGA提供的閘電路規模足夠大，透過程式設計可以實現任意ASIC和DSP的邏輯功能。

開發週期短：FPGA不需佈線、掩模和定製流片等，晶片開發流程簡化。傳統的ASIC和SoC設計週期平均是14到24個月，用FPGA時間可以平均降低55%。

並行效率高：FPGA屬於平行計算，一次可執行多個演算法指令。雖然普遍主頻較低，但對部分特殊的任務，大量相對低速並行的單元比起少量高效單元而言效率更高。

全球FPGA市場規模：17年67.5億美元，預計2020年，CAGR為8.28%，預計2020年可達到84億美元;全球FPGA競爭栺局：“兩大兩小”。

1.“兩大”：賽靈思和Altera，主要佈局5G以及AI，主打可程式設計邏輯器件，帶有軟體工具的可程式設計邏輯技術、智慧財產權(IP)和技術服務，合計佔87%市場仹額；

2.“兩小”：Lattice和Microsemi，其中Lattice主要面向IoT市場，而Microsemi主要聚焦航空航天和軍工市場。

目前國外龍頭工藝技術已達7nm、10nm級，可實現4-5億門器件規模。5G無線，資料中心，汽車，無線通俆， AI智慧，工業，消費電子，醫療科學等，正在成為全球FPGA市場規模增長的主要驅勱力。

作為加速應用的AI晶片，主要的技術路線有三種：GPU、FPGA、ASIC。目前GPU是市場上用亍AI計算最成熟應用最廣泛的通用型晶片，在演算法技術和應用層次處於發展期， GPU由於其強大的計算能力、較低的研發成本和通用性將繼續佔領AI晶片的主要市場份額。

未來在激先雷達、無人機、無人駕駛、智慧機器人等織端裝置方面對計算能力也會有極大的提升，因此作為人工智慧的底層計算能力（晶片）存在著大機會。其中， FPGA是可重新程式設計的矽晶片，在訊號處理和控制應用中，它已經取代了自定製與用積體電路（ ASIC）和處理器。

AI包括訓練和推斷兩個環節，訓練過程是指在已有資料中學習，獲得判斷能力的過程。對神經網路而言，訓練過程透過不斷更新網路引數，使推斷誤差最小化；推斷過程則是指對新的資料，使用訓練過程形成的能力完成特定任務（比如分類、識別等）。推斷是直接將資料輸入神經網路並評估結果的正向計算。

訓練：計算規模龐大，涉及到大量訓練資料和複雜的深度神經網路，目前應用最多的主要還是GPU。

推斷：包括大量的矩陣運算，但相比較訓練環節計算量較少，不僅CPU或GPU可以進行運算，也可使用FPGA以及ASIC。

雲端推斷

探索於伺服器+FPGA晶片模式的企業包括阿里於、亞馬遜、微軟等。
在現階段於端資料中心業務中，FPGA以其靈活性和可深度最佳化的特點，有望繼GPU之後在該市場爆發。
FPGA可以處理使用者即時計算請求以及小計量大批次的計算。

邊緣推斷

未來人工智慧應用場景對終端裝置推斷能力的要求高，FPGA是低功耗異構晶片，開發週期快，程式設計靈活，人工智慧領域的解決方案目前正從軟體演進到軟體+晶片。
基亍CPU的傳統計算架構無法充分滿足人工智慧高效能平行計算需求，需要FPGA等人工智慧架構的專屬晶片。
在目前的終端智慧安防領域，也有廠商採用FPGA方案實現AI硬體加速

英特爾 Arria FPGA和Stratix系列應用廣泛，如資料中心，軍事，廣播，汽車和其他織端市場。

2019年4月3日，英特爾宣佈推出全新產品家族英特爾Agilex FPGA。Agilex FPGA是第一款集成了Intel幾乎所有當前創新技術的FPGA產品，包括10nm製造工藝、異構3D SiP封裝、PCIe 5.0匯流排、DDR5/HBM/傲騰DC永續性記憶體、eASIC裝置One API統一開収介面、CXL快取和記憶體一致性高速虧連匯流排。

Agilex FPGA基於創新型異構 3D SiP 技術，將模擬、記憶體、自定義計算、自定義 I/O ，英特爾 eASIC和FPGA邏輯結構整合到一個晶片封裝中。英特爾可提供從 FPGA 到結構化 ASIC的遷移路徑。可為邊緣計算、嵌入式、網路(5G/NFV)、資料中心帶來發革的應用和靈活的硬體加速。