在AI晶元領域有大量的玩家,並且工作不斷更新和迭代。然而,到目前為止,很少有人工智慧晶元完全達到這一描述和基準。即使是谷歌的TPU,也不足以支持人工智慧的長期發展。

在人工智慧晶元領域中有大量的參與者,並且工作不斷更新和迭代。然而,到目前為止,很少有人工智慧晶元完全達到這一描述和基準。即使是谷歌的TPU,也不足以支持人工智慧的長期發展。

人工智慧的興起有三個基本要素:演算法、數據和計算能力。隨著雲計算的廣泛應用和深入學習成為人工智慧研究和應用的主流方式,人工智慧對計算能力的需求迅速增長。AI晶元的不斷深耕是人們對計算能力的不懈追求。

AI晶元方向眾多

企業專註於「初級」軌道

目前,在摩爾定律的驅動下,CPU可以在合理的計算能力、價格、功耗和時間等方面為人工智慧提供所需的計算性能。然而,人工智慧的許多數據處理都涉及矩陣的乘法和加法,CPU的設計和優化是針對數以百計的任務進行的,因此需要用CPU來執行人工智慧演算法。它中的大量其他邏輯完全浪費了現有的AI演算法,不能使CPU達到最優的性價比。面對爆炸性的計算需求,通用晶元將變得更加不可持續。

因此,具有大規模並行計算能力和加速人工智慧計算的人工智慧晶元應運而生。面對越來越多的B側應用場景,越來越多的AI晶元公司加入競爭。

事實上,AI晶元的研究和開發有兩個不同的方向:第一,在現有的計算體系結構中增加一個特殊的加速器,即「AI加速晶元」,這是一種確定性的方法來加速一種特定的演算法或任務。以滿足目標應用領域在速度、功耗、內存佔用和部署成本等方面的要求。

第二,完全重新開發,創建了一種模擬人腦神經網路的新架構,即「智能晶元」。它使晶元能夠使用不同的人工智慧演算法來學習和推理,處理一系列的任務,包括感知、理解、分析、決策和行動,以及適應場景變化的能力。目前,這種晶元的設計方法主要有兩種:一種是基於類腦計算的神經模擬晶元,另一種是基於可重構計算的軟體定義晶元。

智能晶元仍處於早期開發階段,不適合商業應用。因此,企業採用的主要方法是在現有的計算體系結構中增加人工智慧加速器。AI加速晶元的研究與開發主要分為兩個方面:一是利用現有的GPU、多核處理器、DSP、FPGA晶元進行軟硬體優化;二是設計專用晶元,即ASIC。

GPU、FPGA和ASIC已經成為當前AI晶元產業的主流。其中GPU是目前市場上最成熟、應用最廣泛的人工智慧計算晶元。它是一個由大量核組成的大規模並行計算體系結構,設計用於同時處理多個任務。GPU的台式機和伺服器市場主要被NVIDIA、AMD、移動市場劃分為高通、蘋果、聯發科等多家公司。

性能優良,體積小,功耗低,可靠性高。在大規模生產的情況下,它也具有低成本的特點。近年來,越來越多的公司開始使用sic晶元進行深度學習演算法加速,其中最突出的就是tpu。這是一個人工智慧加速器晶元,谷歌已經設計用於機器學習,以提高人工智慧計算能力,同時大幅降低電力消耗。它的表現非常出色。

此外,國內企業開發的寒武紀系列處理器也受到了廣泛的關注。ASIC的全球市場規模從2012年的163億美元增長到2017年的257億美元,預計未來五年將保持18.4%的複合年增長率,到2022年將達到597億美元。目前,市場格局仍相對零散。

FPGA集成了大量的基本門電路和存儲器,其靈活性介於CPU、GPU等通用處理器和專用集成電路(ASIC)之間。我國在這方面剛剛起步,與Silence、Intel、Ledith、MGM等四大FPGA巨頭相比還有很大的差距。就市場份額而言,Cyrins和Intel合計約佔市場份額的90%,其中Silence佔50%以上。2017年,FPGA的全球市場為59.6億美元,預計到2023年將達到98億美元。

人工智慧的發展還處於起步階段,人工智慧晶元正朝著「人工智慧加速晶元」的方向發展。人工智慧計算的發展需要經歷傳統智能計算、基於深度學習的智能計算和基於神經模擬的智能計算三個階段。至於第三階段的神經模擬晶元,目前涉及的企業很少,要成為未來的主流還有很長的路要走。

然而,英特爾在2018年國際消費電子展上展示了Loihi,這是一款基於14納米的新型神經模擬計算晶元,其異質設計包括128個神經形態核心(神經形態核心)和三個低功耗Intel x86核心,擁有13萬個神經元和1.3億個天線。

AI晶元市場空間巨大

並不一定有很多玩家。

根據Gartner的預測,未來五年,全球人工智慧晶元市場將從2018年的42.7億美元飆升至343億美元,增長逾7倍。未來AI晶元市場將有很大的增長空間。

然而,對於許多初創企業來說,研發晶元將面臨巨大的時間和資金挑戰.就時間而言,晶元的研發通常需要兩年左右的時間才能開始銷售。相比之下,更重要的一點是晶元的成本很高。

在人工智慧應用領域,將根據晶元的部署位置和任務要求,採用不同的處理方式。終端設備晶元一般採用65 nm和28 nm工藝,EDGE晶元和部分移動設備晶元一般採用16 nm或10 nm工藝,雲端晶元一般採用7 nm工藝。

晶元製造決定了開發成本。據IBS估計,根據不同的工藝,65納米晶元的開發成本為2850萬美元,而5納米晶元的開發成本為5.422億美元。因此,在晶元的研發過程中,誤差容限幾乎為零。目前,40nm和55nm工藝比較成熟。然而,對於目前先進的7nm工藝,許多企業的技術還不夠成熟。

高開發成本,加上逐年的開發周期,ai晶元公司在融資的早期階段需要大量資金,才能在沒有產品銷售的時期生存下來。政府補貼和投資者資金往往有利於銷售良好的公司。而資本市場則希望縮短投資周期。因此,融資也成為一個門檻。

另外,由於晶元的開發周期通常需要1~3年,軟體在正常的時間內會有很快的發展,但演算法也會在此期間快速更新,晶元如何支持這些更新也是困難的。

從長遠來看,人工智慧晶元本身的技術發展將面臨以下困難。

目前主流的AI晶元採用馮·諾依曼架構。在馮·諾依曼架構中,晶元以1合1輸出模式計算,數據從處理單元外部的存儲器中提取,然後在處理後寫回存儲器,以便順序讀取任務。由於計算組件和存儲組件之間的速度差異,當計算能力達到一定水平時,訪問存儲器的速度跟不上計算組件消耗數據的速度,並且附加計算組件不能充分利用,這不僅是AI晶元的實現。瓶頸也是長期困擾計算機體系結構的問題。

另外,為了滿足人工智慧發展對計算能力的要求,有必要減小CMOS工藝中的集成尺寸,不斷提高晶元的系統性能。目前,7 nm已經開始批量生產,5 nm節點的技術定義已經完成。然而,它也導致了CMOS工藝和器件的瓶頸。首先,由於納米晶體管的能耗很高,很難實現晶元的密集封裝。其次,幾個納米的CMOS器件,它的層厚度只有幾個原子層,這樣的厚度很容易導致電流泄漏,從而影響工藝尺寸的減小效果。

儘管ai晶元市場有很大的增長空間,但它可能無法容納足夠的公司。行業本身的特點和ai目前的發展階段都決定了ai晶元公司將會有一段比較長的挫折期,而在這個過程中,被資本所油炸的泡沫也會被壓縮。

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