軟體吞噬硬體的 AI 時代,晶片跟不上演算法的進化要怎麼辦?
作者 品玩 | 發布日期 2021 年 02 月 23 日 8:00 |
身為 AI 時代的幕後英雄,晶片業正經歷漸進持續的變化。
2008 年之後,深度學習演算法逐漸興起,各種神經網絡滲透到手機、App 和物聯網。同時摩爾定律卻逐漸放緩。摩爾定律雖然叫定律,但不是物理定律或自然定律,而是半導體業發展的觀察或預測,內容為:單晶片整合度(積體電路中晶體管的密度)每 2 年(也有 18 個月之說)翻倍,帶來性能每 2 年提高 1 倍。
保證摩爾定律的前提,是晶片製程進步。經常能在新聞看到的 28 奈米、14 奈米、7 奈米、5 奈米,指的就是製程,數字越小製程越先進。隨著製程的演進,特別進入10 奈米後,逐漸逼近物理極限,難度越發增加,晶片全流程設計成本大幅增加,每代較上一代至少增加 30%~50%。
這就導致 AI 對算力需求的增長速度,遠超過通用處理器算力的增長速度。據 OpenAI 測算,從 2012 年開始,全球 AI 所用的演算量呈現等比級數增長,平均每 3.4 個月便會翻 1 倍,通用處理器算力每 18 個月至 2 年才翻 1 倍。
當通用處理器算力跟不上 AI 演算法發展,針對 AI 演算的專用處理器便誕生了,也就是常說的「AI 晶片」。目前 AI 晶片的技術內涵豐富,從架構創新到先進封裝,再到模擬大腦,都影響 AI 晶片走向。這些變化的背後,都有共同主題:以更低功耗,產生更高性能。
更靈活
2017 年圖靈獎頒給電腦架構兩位先驅 David Petterson 和 John Hennessy。2018 年圖靈獎演講時,他們聚焦於架構創新主題,指出演算體系結構正迎來新的黃金 10 年。正如他們所判斷,AI 晶片不斷出現新架構,比如英國 Graphcore 的 IPU──迥異於 CPU 和 GPU 的 AI 專用智慧處理器,已逐漸被業界認可,並 Graphcore 也獲得微軟和三星的戰略投資支援。
名為 CGRA 的架構在學界和工業界正受到越來越多關注。CGRA 全稱 Coarse Grained Reconfigurable Array(粗顆粒可重構陣列),是「可重構計算」理念的落地產物。
據《可重構計算:軟體可定義的計算引擎》一文介紹,理念最早出現在 1960 年代,由加州大學洛杉磯分校的 Estrin 提出。由於太過超前時代,直到 40 年後才獲得系統性研究。加州大學柏克萊分校的 DeHon 等將可重構計算定義為具以下特徵的體系結構:製造後晶片功能仍可客製,形成加速特定任務的硬體功能;演算功能的實現,主要依靠任務到晶片的空間映射。
簡言之,可重構晶片強調靈活性,製造後仍可透過程式語言調整,適應新演算法。形成高度對比的是 ASIC(application-specific integrated circuit,專用積體電路)。ASIC 晶片雖然性能高,卻缺乏靈活性,往往是針對單一應用或演算法設計,難以相容新演算法。
2017 年,美國國防部高級研究計劃局(Defence Advanced Research Projects Agency,DARPA)提出電子產業復興計劃(Electronics Resurgence Initiative,ERI),任務之一就是「軟體定義晶片」,打造接近 ASIC 性能、同時不犧牲靈活性。
照重構時的顆粒分別,可重構晶片可分為 CGRA 和 FPGA(field-programmable gate array,現場可程式語言邏輯門陣列)。FPGA 在業界有一定規模應用,如微軟將 FPGA 晶片帶入大型資料中心,用於加速 Bing 搜索引擎,驗證 FPGA 靈活性和演算法可更新性。但 FPGA 有局限性,不僅性能和 ASIC 有較大差距,且重程式語言門檻比較高。
CGRA 由於實現原理差異,比 FPGA 能做到更底層程式的重新設計,面積效率、能量效率和重構時間都更有優勢。可說 CGRA 同時整合通用處理器的靈活性和 ASIC 的高性能。
隨著 AI 演算逐漸從雲端下放到邊緣端和 IoT 設備,不僅演算法多樣性日益增強,晶片更零碎化,且保證低功耗的同時,也要求高性能。在這種場景下,高能效高靈活性的 CGRA 大有用武之地。
由於結構不統一、程式語言和編譯工具不成熟、易用性不夠友善,CGRA 未被業界廣泛使用,但已可看到一些嘗試。早在 2016 年,英特爾便將 CGRA 納入 Xeon 處理器。三星也曾嘗試將 CGRA 整合到 8K 電視和 Exynos 晶片。
中國清微智慧 2019 年 6 月量產全球首款 CGRA 語音晶片 TX210,同年 9 月又發表全球首款 CGRA 多模態晶片 TX510。這家公司脫胎於清華大學魏少軍教授起頭的可重構計算研究團隊,從 2006 年起就進行相關研究。據芯東西 2020 年 11 月報導,語音晶片 TX210 已出貨數百萬顆,多模組晶片 TX510 在 11 月也出貨 10 萬顆以上,主要客戶為智慧門鎖、安防和臉部支付相關廠商。
先進封裝上位
如開篇提到,由於製程逼近物理極限,摩爾定律逐漸放緩。同時 AI 演算法的進步,對算力需求增長迅猛,逼迫晶片業在先進製程之外探索新方向,之一便是先進封裝。
「在大數據和認知計算時代,先進封裝技術正在發揮比以往更大的作用。AI 發展對高效能、高吞吐量互連的需求,正透過先進封裝技術加速發展來滿足。 」世界第三大晶圓代工廠格羅方德平台首席技術專家 John Pellerin 聲明表示。
先進封裝是相對於傳統封裝的技術。封裝是晶片製造的最後一步:將製作好的晶片器件放入外殼,並與外界器件相連。傳統封裝的封裝效率低,有很大改良空間,而先進封裝技術致力提高整合密度。
先進封裝有很多技術分支,其中 Chiplet(小晶片/芯粒)是最近 2 年的大熱門。所謂「小晶片」,是相對傳統晶片製造方法而言。傳統晶片製造方法,是在同一塊矽晶片上,用同一種製程打造晶片。Chiplet 是將一塊完整晶片的複雜功能分解,儲存、計算和訊號處理等功能模組化成裸晶片(Die)。這些裸晶片可用不同製程製造,甚至可是不同公司提供。透過連接介面相接後,就形成一個 Chiplet 晶片網路。
據壁仞科技研究院唐杉分析,Chiplet 歷史更久且更準確的技術詞彙應該是異構整合(Heterogeneous Integration)。總體來說,此技術趨勢較清晰明確,且第一階段 Chiplet 形態技術較成熟,除了成本較高,很多高端晶片已經在用。
如 HBM 儲存器成為 Chiplet 技術早期成功應用的典型代表。AMD 在 Zen2 架構晶片使用 Chiplet 思路,CPU 用的是 7 奈米製程,I/O 使用 14 奈米製程,與完全由 7 奈米打造的晶片相比成本約低 50%。英特爾也推出基於 Chiplet 技術的 Agilex FPGA 系列產品。
不過,Chiplet 技術仍面臨諸多挑戰,最重要之一是互連介面標準。互連介面重要嗎?如果是在大公司內部,比如英特爾或 AMD,有專用協議和封閉系統,在不同裸晶片間連接問題不大。但不同公司和系統互連,同時保證高頻寬、低延遲和每比特低功耗,互連介面就非常重要了。
2017 年,DARPA 推出 CHIPS 戰略計劃(通用異構整合和 IP 重用戰略),試圖打造開放連接協議。但 DARPA 的缺點是,側重國防相關計畫,晶片數量不大,與真正商用場景有差距。因此一些晶片業公司成立組織「ODSA(開放領域特定架構)工作組」,透過制定開放的互連介面,為 Chiplet 的發展掃清障礙。
另闢蹊徑
除了在現有框架內做架構和製造創新,還有研究人員試圖跳出電腦現行的范紐曼型架構,開發真正模擬人腦的計算模式。
范紐曼架構,數據計算和儲存分開進行。RAM 存取速度往往嚴重落後處理器的計算速度,造成「記憶體牆」問題。且傳統電腦需要透過總線,連續在處理器和儲存器之間更新,導致晶片大部分功耗都消耗於讀寫數據,不是算術邏輯單元,又衍生出「功耗牆」問題。人腦則沒有「記憶體牆」和「功耗牆」問題,處理訊息和儲存一體,計算和記憶可同時進行。
另一方面,推動 AI 發展的深度神經網路,雖然名稱有「神經網路」四字,但實際上跟人腦神經網路運作機制相差甚遠。1,000 億個神經元,透過 100 萬億個神經突觸連接,使人腦能以非常低功耗(約 20 瓦)同步記憶、演算、推理和計算。相比之下,目前的深度神經網路,不僅需大規模資料訓練,運行時還要消耗極大能量。
因此如何讓 AI 像人腦一樣工作,一直是學界和業界積極探索的課題。1980 年代後期,加州理工學院教授卡弗·米德(Carver Mead)提出神經形態工程學的概念。經過多年發展,業界和學界對神經形態晶片的摸索逐漸成形。
軟體方面,稱為第三代人工神經網路的「脈衝神經網路」(Spike Neural Network,SNN)應運而生。這種網路以脈衝信號為載體,更接近人腦的運作方式。硬體方面,大型機構和公司研發相應的脈衝神經網路處理器。
早在 2008 年,DARPA 就發起計畫──神經形態自適應塑膠可擴展電子系統(Systems of Neuromorphic Adaptive Plastic Scalable Electronics,簡稱 SyNAPSE,正好是「突觸」之意),希望開發出低功耗的電子神經形態電腦。
IBM Research 成為 SyNAPSE 計畫的合作方之一。2014 年發表論文展示最新成果──TrueNorth。這個類腦計算晶片擁有 100 萬個神經元,能以每秒 30 幀的速度輸入 400×240pixel 的影片,功耗僅 63 毫瓦,比范紐曼架構電腦有質的飛躍。
英特爾 2017 年展示名為 Loihi 的神經形態晶片,包含超過 20 億個晶體管、13 萬個人工神經元和 1.3 億個突觸,比一般訓練系統所需的通用計算效率高 1 千倍。2020 年 3 月,研究人員甚至在 Loihi 做到嗅覺辨識。這成果可應用於診斷疾病、檢測武器和爆炸物及立即發現麻醉劑、煙霧和一氧化碳氣味等場景。
中國清華大學類腦計算研究中心的施路平教授團隊,開發針對人工通用智慧的「天機」晶片,同時支持脈衝神經網路和深度神經網路。2019 年 8 月 1 日,天機成為中國第一款登上《Nature》雜誌封面的晶片。
儘管已有零星研究成果,但總體來說,脈衝神經網路和處理器仍是研究領域的方向之一,沒有在業界大規模應用,主要是因為基礎演算法還沒有關鍵性突破,達不到業界標準,且成本較高。
附圖:▲ 不同製程節點的晶片設計製造成本。(Source:ICBank)
▲ 可重構計算架構與現有主流計算架構在能量效率和靈活性對比。(Source:中國科學)
▲ 異構整合成示意動畫。(Source:IC 智庫)
▲ 通用處理器的典型操作耗能。(Source:中國科學)
資料來源:https://technews.tw/2021/02/23/what-to-do-if-the-chip-cannot-keep-up-with-the-evolution-of-the-algorithm/?fbclid=IwAR0Z-nVQb96jnhAFWuGGXNyUMt2sdgmyum8VVp8eD_aDOYrn2qCr7nxxn6I
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鮭魚:選用生食等級, 挪威產地空運直送的冰鮮鮭魚新鮮度遠高於運送時間較長的海運鮭魚。
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茜茜團的是S尺寸(比3S大兩個等級),每一顆干貝都是獨立冷凍,不會黏在一起,不會有包冰的狀況來冒充重量。
而且不是普通的干貝,是嚴選自日本北海道干貝的『一級產區』,一級產區是在北海道一帶 ,因為水域乾淨、日夜溫差大加上採收技術設備不同,一級產地產出的干貝,質量最好最新鮮!(團購單裡面有標章證明,這個證照是安全認證,越清楚越好,而且是最新進口的,有些店家賣的是去年,製造日期寫2018舊的,茜茜團的是2019)
肉厚Q彈,帶有天然的甜味,跟平常吃到的干貝完全不一樣呢‼️光想到人夫謙只是乾煎就超好吃 😋 😋 😋(而且出水後不縮水喔!)
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有看到前陣子茜茜招待茜粉來家裡玩,切給孩子們吃的蜜蘋果嗎❓
不誇張~蘋果核心多到出蜜,吃起來又脆又甜,真的是我目前吃過數一數二的蘋果了!看秦秦一個接一個就知道真的是很好吃(小孩的嘴比我們還挑)
肉質香脆柔細,味美香甜,每年日本過年送禮銷售冠軍的水果💯
[#紐西蘭精品櫻桃]禮盒裝
等級:XXXL (3XL) 尺寸32-34mm <最高等級>
比50元硬幣還大的櫻桃!新鮮好甜‼️
全程空運來台的紐西蘭櫻桃,梗都還是新綠的,梗越綠代表越新鮮;顆粒大,紫紅色的外皮閃著亮光,摸起來硬硬的,果實很有彈性,口感脆脆的,咬下去整口都是櫻桃汁🥰
大部分賣場或超市的海運櫻桃,因為船期約需二至三周,則必須噴灑大量的防霉殺菌藥劑,來到台灣時,其實品質已經大打折扣﹐營養價值嚴重流失💢
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[#日本北海道十勝地區山藥]
全程從日本北海道搭飛機來台,新鮮程度看得見!
北海道十勝地區,因為夏天日照時間長,但早晚溫差相當大,所以跟其他地區的山藥比起來,會比較粗,飽滿。山藥顏色細白,較少一般山藥的苦澀味,吃起來也會比較甜✨
山藥是營養與藥用價值兼備的蔬菜,養顏美容,回復疲勞,還可以改善便秘問題,食用上可滋陰健脾平溫潤肺,藥用上可治療一些心血管疾病有幫助。
「炒」山藥炒蝦仁;「蒸」清蒸山藥;「煲」桂圓山藥粥;「燉」山藥燉土雞,多種料理方式,吃美食又能補身,營養價值更加分💯
阿謙師有用山藥做成點心給雙寶吃,加點蜂蜜甜甜QQ的超讚。
【風#阿謙師山藥煎Q餅 食譜分享】
材料(3-4人份):
1.山藥約250克(紫山藥白山藥都可)
2.地瓜粉50克(=木薯粉)
3.細砂糖45克
作法:
1⃣️把山藥削皮切塊然後和糖一起丟入果汁機榨成泥(調理機也可)
2⃣️加入地瓜粉(量會影響口感,加比較少可以吃到山藥稠稠的口感,加多會QQ的)
3⃣️攪拌完成倒入三明治袋或乾淨塑膠袋就完成前置作業了
再來就是在三明治袋剪一個小口像擠奶油那樣擠在平底鍋煎一煎看起來微焦就可,看喜好決定要不要加蜂蜜😊
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睽違半年的微米氣泡產生器來囉!
好多人都已經蓄勢待發要下單😆
📌微米氣泡能降解農藥、滅除細菌
📌吸附髒汙及油垢
📌深入毛孔徹底清潔
使用微米氣泡產生器近一年多,每次洗蔬果都好安心、小孩的水壺吸管不再發霉、自己臉上的粉刺少了好多、每天用蓮蓬頭洗完澡,都覺得肌膚好舒爽。
✨微米氣泡中所帶的超氫氧負離子,可以破壞農藥的化學鍵,將農藥降解✨
所以使用微米氣泡清洗蔬果,可以去除一般自來水無法在短時間內帶離的農藥!
蔬菜裡,最容易殘留大量農藥的,是生長期短的四季豆、小黃瓜、青椒、空心菜......等。
❌四季豆還沒清洗過的農藥殘留是2326!
(農藥檢測儀都亮紅燈了😱)
❌用一般自來水洗過以後還有1702!
⭕️使用微米氣泡水清洗後,數值是令人超級放心的0👏👏👏
連皮一起吃的水果,也超怕農藥殘留。我以前每次洗水果,都像強迫症發作,要先開水慢慢流,然後再一顆一顆一個別洗,洗完裝進保鮮盒,又忍不住再裝水進去沖一沖。(我好瘋😂
❌還沒洗過的葡萄,表皮上的農藥殘留是1705(單位為ppb)。
❌用一般自來水清洗過的葡萄,殘留的農藥是855。
⭕️使用微米氣泡清洗過的葡萄,表皮上的農藥殘留是零!
(備註:以上實驗皆是將蔬果泡於水中2分鐘,將水倒掉再重新放水。重複三次,共6分鐘)
✅除了能分解農藥,微米氣泡也能達到滅菌功效。
沒有馬上洗的碗盤,很容易滋生大腸桿菌,就算用洗碗精也可能無法完全洗淨。
✨微米氣泡能消滅水中97%的細菌✨
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原本很難洗的塑膠餐具,現在只要一點點洗碗精就能洗得超乾淨。不太油的碗盤就算不用清潔劑也完全ok。小孩的水壺直接用微米氣泡來滅菌,不再擔心清潔劑殘留問題。
還有免剝皮的水果,再也不用擔心要連農藥一起吃進去。
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☑️分解農藥。
☑️滅除水中97%的細菌。
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📌裝了微米氣泡產生器,水還可以拿來煮飯、燒開水嗎?
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📌自來水裡有礦物質,產品用久了會阻塞嗎?
💡不會的,水中的礦物質只有在接觸空氣時才會固化。像是不鏽鋼龍頭的外觀易有水垢沈積,但水中的礦物質不會對微米氣泡產生器造成影響。
📌實驗中,使用微米氣泡清洗過的蔬果無任何農藥殘留,請問有用手一一搓洗嗎?
💡沒有喔!無籽葡萄跟四季豆,都是直接用微米氣泡做浸泡,泡2分鐘倒掉再放水,重複三次共6分鐘。微米氣泡中的超氫氧負離子會破壞農藥的化學鍵,將農藥分解。此外,經SGS檢驗證實,微米氣泡能滅除砧板、刀具及碗盤上的大腸桿菌及厭氧菌,讓家人吃得更安心。
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白色塑膠外件,在經年累月使用後容易有泛黃的情形
尤其在早期的鍵盤滑鼠上更為明顯,不禁多了幾分滄桑感
美國知名的 Youtuber:The 8-Bit Guy,幾年前就有處理老電腦外殼的教學
最近上傳了一支新影片,這次是針對各種方法進行再驗證
Adventures in Retrobrite - New techniques for restoring yellowed plastic!
https://youtu.be/qZYbchvSUDY
這邊講結論,在台灣比較容易取得的材料有兩種
● 雙氧水
● 過碳酸鈉 (固體雙氧水)
處理方式同樣有兩種
● 日照曝曬
● 定溫加熱
材料部份個人習慣用雙氧水,當然過碳酸鈉容易取得也很好用
操作時最好戴上手套,高濃度雙氧水對皮膚有強烈刺激性
處理方式部分,則要看被處理的大小而定
像是鍵盤上下蓋,你很難找到夠大的加熱容器,因此曝曬是比較好的方法
體積小的鍵帽,則很適合用小容器煮,前提是要有能定溫的爐子
例如有保溫功能的電磁爐就可以了
因為台南這邊日照充足,我就習慣在屋頂處理了
準備的材料如下:老鍵盤兩把、大鐵盆、50%雙氧水、保鮮膜、乳膠手套
把要處理的外蓋和鍵帽清洗乾淨,在鐵盆中倒入雙氧水並稀釋
放入處理物,並使用保鮮膜封好
https://images.imgbox.com/7b/63/7g9fdnh6_o.jpg
https://images.imgbox.com/e5/ee/8JPcu2qp_o.jpg
保鮮膜可以保持內部溫度不被帶走,同時也避免日照下蒸發
這邊要注意的是外蓋,最好用石頭固定在水位下
處理時間隨意,這次我都曬兩天,水溫燙得令人滿意XD
撈起後先清水沖洗,再用洗碗精仔細清潔,陰乾後就可以組裝了
https://images.imgbox.com/23/07/5RDWlYGa_o.jpg
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上面是處理前,下面是處理後,色差很明顯
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外殼處理完,鍵帽還沒漂白的狀態,看起來很米黃
順帶一提,這把最近改成 Gateron 青軸了
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F1 是過碳酸鈉定溫加熱
F2 是雙氧水日照曝曬
效果都很不錯,只是 F1 可能溫度較高(80℃),油墨印字有些剝落
https://images.imgbox.com/70/61/0xvoTtA5_o.jpg
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https://images.imgbox.com/b4/14/G90ewL13_o.jpg
合體,不多說了看圖吧XD
以上,希望各位的設備也都能變回白泡泡幼綿綿的狀態^^
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