AI会给芯片设计带来什么？

现在说AI是未来人类技术进步的一大方向，相信大家都不会反对。说到AI和芯片技术的关系，我觉得主要体现在两个方面：第一，AI的发展要求芯片技术不断进步；第二，AI可以帮助芯片技术向前发展。

AI将成为芯片技术的主要驱动力

人工智能，特别是深度学习，这几年爆发性的发展，很大程度上得益于芯片技术多年的积累。如果不是芯片技术已经发展到了一定的高度，能够给大规模的机器学习提供足够的处理能力，我们肯定看不到战胜人类顶尖棋手的AlphaGo。可以说，过去十几年驱动芯片技术发展的主要是通信，多媒体和智能手机这些应用。不夸张的说，是苹果在赶着芯片产业往前跑。而随着这些应用增长放缓，相信未来赶着我们向前跑的主要会是各种AI的需求。当然，即使没有AI，芯片技术也会发展。这里我想和大家分享几个例子，个人感觉AI的驱动效应在这些技术上会有更明显的体现。

异构计算（Heterogeneous Computing）

按照Wikipedia的定义“Heterogeneous computing refers to systems that use more than one kind of processor or cores. These systems gain performance or energy efficiency not just by adding the same type of processors, but by adding dissimilar coprocessors, usually incorporating specialized processing capabilities to handle particular tasks”。首先，异构计算中使用多种类型的处理器是为了能够更好的提升整个并行处理系统的效率。比如下图就是高通的Snapdragon 820芯片的框图，可以看出它包括了各种类型的处理器和硬件加速器。这还没包括软件栈的复杂度。

同时，异构计算又面临更多的挑战“The presence of multiple processing elements raises all of the issues involved with homogeneous parallel processing systems, while the level of heterogeneity in the system can introduce non-uniformity in system development, programming practices, and overall system capability.” 简单来说也就是不一致性带来诸多问题。对于异构计算，Nvidia和AMD最早提出了一些标准的方法，主要面向在CPU+GPU的系统，比如CUDA和OpenCL。

目前来看，神经网络的Training使用CPU+GPU的硬件平台比较理想。而对于这类系统，Nvidia的CUDA已经做的很不错了。但对于一个Inference硬件平台来说，异构计算要复杂的多，除了CPU，GPU，系统里很可能还会有DSP，ASP，硬件加速器和FPGA这些硬件模块，以及相应的固件和软件。在这种环境下，如何有效的发挥各类硬件的效率，提供统一易用的编程模型和软件接口，就是个很大的问题。之前的很多尝试，比如OpenCL，HSA（Heterogeneous System Architecture） Foundation，都没能真正解决这个问题。而这个问题能不能解决，既是技术挑战，也有利益上的角力。Intel，Nvidia，AMD，Qualcomm，ARM都有自己的算盘，都想推自己的标准。不管怎样，在AI应用的驱动下，硬件平台的多样性和效率要求的挑战会越来越明显。整个产业对AI的热情能不能推动这个问题的解决，很值得关注。

DSC和DSA（Domain-Specific Computing/Architecture）

在最近的一个演讲中，当回答“请问除了之前演讲中提到的以外，还有哪些处理器领域的未来趋势是值得关注的？”这一问题时，计算机体系结构宗师David Patterson说到，“我认为未来之星是深度学习领域的DSA处理器。深度学习的重要性我想在座的都很清楚。另外，使用更高级的设计描述语言，例如Chisel，来加速设计，也会成为趋势。”我个人一直关注DSC领域，也基本同意Patterson的看法（Chisel的部分我不予置评）。道理也很简单，神经网络处理是一个新兴的特殊domain，而且是一个有足够体量来支持专门的方法学的domain。换句话说，在这个领域我们值得投入资源来实现一套完善的方法学，一旦成功会有巨大的回报。同时，这条路还很长，我们也还有足够的时间这么做。

不过，Domain-Specific Computing这个方向的提出也不是一天两天了，要实现它的愿景，确实需要做大量的工作。它是一整套方法学，需要从设计语言到模型和工具的多方面支持。虽说我们都知道“工欲善其事，必先利其器”的道理，但在实践中，我们很多时候并没有这个耐心。希望AI能给这个“看起来很美”的方法学一个有力的推动吧。

Dataflow VS Controlflow

严格的说，Dataflow架构本来是计算机体系结构中实现并行计算的一种软硬件架构。有自己一套完整的方法学。下图摘自Shaaban教授的课程[2]， 就是dataflow architecture的一个概述。

但是，如果我们看这种架构的主要特征：1. 没有PC（Program Counter），也就是说没有复杂的程序流控制；2. 节点的处理由操作数（availability of operands）激活。简单来说这种架构是数据驱动的。这一点和深度神经网络Inference的需求是非常一致的，因为神经网络是分层顺序处理的，有大量的数据处理，但不需要复杂的控制流程。这也是为什么我们现在看到的很多神经网络加速器的主要工作都放在了数据流的优化上。[1]中就指出“For spatial architectures used in accelerators, we will discuss how dataflows can increase data reuse from low cost memories in the memory hierarchy to reduce energy consumption.” GoogleTPU的脉动阵列架构，虽然并不是个严格意义上的Dataflow Machine，但它也可是认为dataflow驱动的设计。

同时，Dataflow programming也是一种重要的编程模型。用Wikipedia的说法，就是“dataflow programming is a programming paradigm that models a program as a directed graph of the data flowing between operations, thus implementing dataflow principles and architecture. ”。而我们知道，Google的TensorFlow深度学习框架就是一个“open source software library for numerical computation using data flow graphs”.

另外一个例子是做深度神经网络加速的Startup公司，Wave Computing（同时指出cloud的training和inference）[2]，把他们的架构称作“A Coarse Grain Reconfigurable Array (CGRA) for Statically Scheduled Data Flow Computing” 。具体来讲，“Wave uses a data flow computing on a hybrid coarse grain/fine grain reconfigurable array (CGRA) of processors in a Wave dataflow processing unit (DPU). In this model, data flows between software kernels, which are called data flow agents. Each agent is compiled and statically scheduled across a reconfigurable array of data flow processing elements. The entire data flow computation is managed autonomously by the agents without the need for the control or memory of a host CPU. ”  

总的来说，dataflow驱动是深度神经网络的一大特点。因此在设计神经网络处理器的时候，其硬件架构和编程模型采用这些比较特殊的dataflow架构也是自然的选择。而目前很多神经网络硬件加速器的设计，也都借鉴了脉动阵列，CGRA（Coarse-Grain Reconfigurable Architecure）这些“古老”的技术。实际上，我们现在需要解决的问题（比如卷积运算的加速），并不是一个全新的问题，前人已经有了很完整的研究。虽然AI是个全新的应用，但它却给了很多老的架构和技术新的机会。这也是一个很有意思的现象。

Clockless设计

在Wave Computing的设计中还有一个很有意思的地方，就是采用了Clockless CGRA Synchronization，从而实现了“In the large-scale CGRA, data flows between clusters of PEs at a nominal frequency of 6.7 GHz without the need for FIFOs used in other Globally Asynchronous Locally Synchronous(GALS) schemes”。

Clockless（或者叫asynchronous circuit, or self-timed circuit）设计采用握手信号（handshaking）而不是clock信号来实现模块间的同步，从而摆脱传统IC设计中Clock tree的束缚，实现更低的功耗或者更快的处理。2006年的时候，当时的飞利浦电子孵化的一个startup（Handshake Solutions NV）实现了一个clockless的ARM9处理器。下图摘自[4]，对比了clocked和clockless电路。

但是，由于这种方法的特殊性，在缺乏EDA工具支持的情况下很难在大规模的芯片设计中实现，所以一直也没有很多应用。不知道在未来的专用神经网络处理器中，特别是在要求极低功耗的可穿戴应用中是不是又会看到它的身影。

Near-Data Processing和先进存储器

把深度神经网络的Inference放到离数据源更近的地方，可以降低整个系统的复杂度，减少不必要的数据搬移，从而优化功耗和成本。其中PIM（Processing in Memory）主要是把处理直接放在存储单元的位置，这需要在电路（模拟信号）的层面重新设计存储器。而把处理放在sensor当中也是一大趋势，这里既可以是直接在sensor中用模拟或者混合信号电路做一些处理，也可以是在传统的ISP中增加智能处理的功能。下图就是直接在memory cell做乘法和乘加的方法。[1]

同时，新型存储器技术也一直是研究的热点。而由于神经网络处理的瓶颈往往在于存储器，相信新的存储器技术会首先在神经网络应用中得到应用。比如，embedded DRAM (eDRAM)已经在一些神经网络处理器中被应用；而3D Memory（比如Hyper Memory Cube (HMC)）的高带宽和低功耗特性也很有吸引力。[1]

另外，目前的深度神经网络模型对“记忆”的要求越来越高，从RNN，到LSTM/GRU的“短期记忆”，到Memory Network，Neural Turing Machine和Differentiable neural computers[5]（如下图所示）。

图片来自deepmind.com

神经网络已经开始使用更大范围的外部存储空间（external memory）实现“长期记忆”。这也意味着对于新型存储以及新的访存机制有更多的挑战和机会。

模拟和混合信号设计

在今年的ISSCC会议上我们看到了几个使用模拟和混合电路的例子。比如超低功耗人脸识别处理器就用了模拟电路实现Haar-like人脸检测。还有一些工作，也使用的定制电路和模拟电路实现特殊的存储器设计。而模拟和混合信号设计往往可以和上面说的Near-Data Processing相结合，比如在图像sensor的模拟部分实现CNN处理或者其它一些算法。这部分我是外行，只是感觉也有不少可做的地方，希望内行人多给意见。

FPGA器件和工具

我从2000年开始用FPGA，一直把FPGA作为芯片验证的手段，而非直接的产品。但随着深度神经网络需求的爆发，FPGA作为inference的平台表现出很好的特性（灵活性和效率的平衡），在很多场景可以直接为应用服务。因此，可以预见，我们可以在FPGA领域看到快速的发展。首先，FPGA器件（Xilinx和Intel/Altera是主要供应商）本身的功能会越来越强大。Xilinx最新的高端FPGA已经是一个非常复杂的SOC平台了，除了传统的FPGA电路，还集成了多核CPU，硬件的视频编解码功能，DDR接口，PCIe接口等等，很适合做大规模的inference应用。

图片来自www.xilinx.com

另一方面，不管是Xilinx还是Intel，都在改进FPGA的软件开发环境，试图对深度学习提供更好的支持。比如，下图所示的Xilinx reVISION Stack。

图片来自www.xilinx.com

芯片制造和先进工艺

上面我讨论的主要是芯片设计技术。芯片制造和工艺在AI环境的发展趋势也是个重要的话题。比如前面提到的PIM和新型存储器就和工艺关系很大。不过这方面我不是很熟悉，就不在这里妄加评论了。

AI应用于芯片设计和生产

如果说AI应用会“逼着”芯片技术向前发展，它同时也会在很大程度上帮助芯片技术向前发展。深度神经网络强大之处在于，通过对大量数据进行学习，可以自己对问题（或应用）进行建模、提取feature或者作出判断。从某种程度上说，它已经强大到我们无法理解的程度了（或者说它和我们人类获取知识的方式并不相同）。而芯片设计和制造（工艺），都是建立在大量数据以及复杂的模型的基础之上的。利用神经网络的优势帮助我们提高芯片设计和制造技术是自然而然的思路。另一方面，芯片设计和制造又是高度依赖自动化设计工具的领域，这些EDA工具中很多环节的算法也都有可能通过和AI结合来获得更好的效果，或者提高生产效率。

举个简单的例子，大家都知道芯片的软硬件debug是一件头疼的事情，需要从大量现象中寻找线索，还需要结合长期的经验。是否以后可以让AI替我们“诊断”芯片出现的问题呢？就像现在神经网络表现很好的医疗领域一样。

所以说，AI应用于芯片设计和生产，是有很大的想象空间的。至于具体的脑洞，也欢迎大家和我讨论。

总之，AI一定会对芯片技术和产业带来深刻的影响。如果哪位读者看了这篇文章，发现了新的机会，请别忘了给我发红包啊。 

T.S.

END

参考：

1. Vivienne Sze, Yu-Hsin Chen, Tien-Ju Yang, Joel Emer, "Efficient Processing of Deep Neural Networks: A Tutorial and Survey"，arxiv.org/pdf/1703.09039.pdf

2. Dr. Chris Nicol, Chief Technology Officer, Wave Computing,"A Coarse Grain Reconfigurable Array (CGRA) for Statically Scheduled Data Flow Computing"

3. Muhammad E. Shaaban,"cmpe655-spring2017, Multiple Processor Systems"

4. Jens Sparsø,Technical University of Denmark,"Asynchronous circuit design A Tutorial"

5. Alex Graves1, et al., "Hybrid computing using a neural network with dynamic external memory"

题图来自网络，版权归原作者所有

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