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中國首款嵌入式神經網絡處理器誕生
[來源:本站 | 作者: | 日期:2016年6月21日 | 瀏覽1784 次] 字體:[ ]

6月20日,中星微“數字多媒體芯片技術”國家重點實驗室在京宣布,中國首款嵌入式NPU(神經網絡處理器)芯片誕生,目前已應用于全球首款嵌入式視頻處理芯片“星光智能一號”。

這款被命名為“星光智能一號”的芯片,蘊含了當前計算機領域最前沿的生物人腦神經網絡仿生學創新技術,且對嚴重依賴國外進口產品的中國集成電路產業來說,也是實現“彎道超車”的一次踴躍嘗試。它標志著我國在神經網絡處理器領域的研究和開發上取得了重大突破;使我國視頻監控行業發展由模擬時代、數字時代跨入智能時代,在全球確立領先地位。

該實驗室執行主任張韻東表示,這標志著我國在NPU領域的研究和開發上取得了重大突破;在基于“數據驅動并行計算”架構的深度學習人工智能領域達到國際先進水平;使我國視頻監控行業發展由模擬時代、數字時代跨入智能時代,實現產業化并促進整體水平提升,確立了全球領先地位。


 


AlphGo下盤棋花電費3000美元

近年來,人工智能逐漸從科幻電影走向現實生活,在其發展歷程中,兩次著名的“人機大戰”成為重要里程碑。1997年,IBM的超級計算機“深藍”擊敗國際象棋世界冠軍;今年3月,谷歌的“AlphGo”以4勝1負的成績戰勝了圍棋世界冠軍。

“圍棋比國際象棋復雜200多個數量級?!筆侄嗝教逍酒際豕抑氐閌笛槭抑蔥兄魅握旁隙硎?,“深藍”是憑借超級計算機運算能力的“蠻力”戰勝了人類,“AlphGo”則是依靠模仿人腦的深度學習神經網絡擊敗人類。

這一結果讓人震撼,甚至有人擔憂,電影里“終結者”是否很快會進入我們的生活?

張韻東認為,“人機大戰”只是科學實驗,如此高級的人工智能離普通人的生活還有一定距離。他介紹,“深藍”的質量達到1.27噸,擁有32個CPU;“AlphGo”運行在龐大服務器集群里,下一盤棋光電費就要花掉3000美元。即使是手機里的蘋果、微軟等語音識別軟件,所有的運算、識別也必須在后臺進行。

將深度學習系統做到小型化,用在嵌入式系統中,這是中星微國家重點實驗室多年來努力解決的問題。其此次發布的,正是我國首款具有深度學習功能的嵌入式NPU,其已于今年三月成功量產。

“彎道超車”在于創新

據張韻東透露,“星光智能一號”現已銷售數十萬件,成功在視頻監控領域實現產業化,并可廣泛應用于智能駕駛輔助、無人機、機器人等嵌入式機器視覺領域。

此次,中星微率先在全球實現對該芯片的量產應用,可謂是中國企業實現對國外集成電路產業“彎道超車”的一次成功嘗試。

在信息時代,集成電路產業已成為全球各國必爭的戰略制高點。但當前中國該產業形勢卻相當嚴峻。工信部數據顯示,我國十余年來集成電路進口額長期處于各類商品之首,每年達2000億元左右。

這種依賴性隨時可將中國通信產業置于難以預料的風險之中。例如今年3月7日,中興通訊因被美國商務部實施出口限制措施而停牌。因該公司對美國零部件和軟件供應商的依賴,嚴重損害了其手機終端和電信設備業務,造成的損失額估計達1000億元以上。

當前,人工智能已成為下一代信息產業浪潮最重要的推手和顛覆性的技術,微軟、高通、谷歌以及美國宇航局支持的KnuEdge等公司紛紛推出的自己的NPU。對此,張韻東和同事認為,中國集成電路產業要想實現趕超,答案就在于自主創新?!拔頤潛熱思衣浜筇?,現在新的技術不斷涌現,我們要把握整個行業格局變化重新洗牌的機會?!閉旁隙?。

堅持自主創新原則,重點投入核心技術研發與標準的制定,這是中星微多年來形成的科研模式。成立于1999年的中星微,在2001年開發出第一塊具有中國自主知識產權的圖像處理芯片“星光一號”,結束了中國無“芯”的歷史;在2010年與公安部第一研究所牽頭制定了SVAC國家標準,是全球第一個針對視頻監控的音視頻編解碼標準。這兩項成果使其兩次獲得國家科技進步一等獎。

“數字多媒體芯片技術”國家重點實驗室成立于2010年,圍繞數字多媒體芯片的應用基礎和關鍵技術開展研究。此次中星微推出的神經網絡處理器和嵌入式視頻監控芯片,正是對“創新驅動發展”的實踐。據悉該芯片現已申請16項專利?!敖裉?,我們敢說我們的芯片誕生了,是進行了3年多的開發,每一顆芯片都經過嚴格的測試?!閉旁隙?。


給“眼睛”加上“大腦”

目前,中星微NPU其已成功集成到“星光智能一號”中,在視頻監控領域實現產業化。

“原來的視頻處理芯片只是相當于一只‘眼睛’。要把采集到的海量音視頻數據傳到后臺進行識別,再把結果通知給人,沒辦法做到實時分析?!鋇H胃霉抑氐閌笛槭抑蔥兄魅蔚惱旁隙扔魎?。而“星光智能一號”可以讓“眼睛”具備人腦的功能,將后臺的智能判斷提到了前端,可實時地識別更高級的智慧信息,如身份證號碼、車牌號、一個人是誰。

為了了解其對人臉的識別能力,一名男記者現場邀請長相跟他相像的一名工作人員一起“刷臉”。果然,在讀取身份證之后,攝像頭在不到1秒鐘的時間內就判斷出工作人員才是本人。

“星光智能一號”之所以能“看懂”這些信息,該實驗學術委員會主任楊曉東介紹說,是因為它集成了NPU處理器內核以及國家標準音視頻編解碼器(SVAC Codec),是全球首顆具備深度學習人工智能的嵌入式視頻采集壓縮編碼系統級芯片。該實驗室自主研發的嵌入式NPU,徹底顛覆了采用傳統馮諾依曼架構的CPU(中央處理器),賦予其“大腦”一樣的分析功能。

當前,人工智能的好戲剛剛揭幕?!熬砘窬紓–NN)算法已成為智能機器視覺領域的研究熱點?!備檬笛槭儀度朧餃斯ぶ悄芟钅孔樽槌り鎂⑽腦誚郵堋噸泄蒲Пā凡煞檬彼?,該算法通過仿生人腦的神經網絡,可降低網絡模型的復雜程度,在處理海量輸入數據、大規模乘累加運算、稀疏權值矩陣等方面具有優勢。

然而,傳統CPU運行CNN算法效率不高。中星微NPU采用“數據驅動并行計算”架構,使算機的能耗比“至少提高了兩三個數量級”,特別擅長處理視頻、圖像類的海量多媒體數據,使得人工智能在嵌入式機器視覺應用中可以大顯身手。

“馮諾依曼架構的編程方式是在一條線上寫代碼,一條條指令順序執行;我們是在二維的平面上編寫程序,使數據并行傳輸,過程比以前單線的編程更加復雜?!備檬笛槭疑窬绱砥饗钅孔樽槌ぶ芰志嫠摺噸泄蒲Пā芳欽?。

據介紹,中星微每個NPU處理器有4個內核,每個內核有兩個數據流處理器,每個數據流處理器有8個長位寬或16個短位寬的SIMD(單指令多數據)運算單元?!罷庋扛鯪PU處理器就包含了128個并行處理單元,相當于高速公路上有128個車道并行,讓海量數據通過?!閉旁隙扔魎?。這使得每個NPU處理器具有每秒38G Ops(標準化數字標牌接口規范)的長位寬處理能力或76G Ops的短位寬處理能力。

在幾年前轟動全國的周克華案件中,案犯在南京被拍到,公安干警將視頻信息拷貝分發給數千人的團隊,對著每個攝像頭進行比對,但周克華仍逃到重慶,直到再次作案后才被抓獲?!叭綣筆庇小槍庵悄芤緩擰際?,罪犯走到哪里都會被智能識別,很快就會有線索傳回來?!閉旁隙?。除了實時搜索,該技術還能將已經拍攝的信息存在碼流中,需要時可以隨時根據特征檢索,或是用“以圖搜圖”的方式,用一張圖把類似的圖全找出來。

除了視頻監控領域,“星光智能一號”還能用于汽車無人駕駛或智能輔助,無人機自動拍攝、跟蹤、避障,智能機器人理解合成語言、娛樂和陪護等方面。張韻東表示,下一步將不斷探索更加接近生物人腦的工作機理方式,開發更低功耗、更高運算性能的新一代NPU。

后摩爾時代的探索

“正如業界所言,‘隨著逐步逼近香農定理、摩爾定律的極限,面對大流量、低延時的理論還未創造出來’。大家感到前途茫茫,找不到方向?!閉旁隙?。而NPU正是一塊“引玉之磚”。

根據摩爾定律,集成電路上可容納的元器件數目,約每隔兩年便會增加一倍,性能也將提升一倍。這一發展曲線在超過半個世紀里一直與預測的一樣“完美”。然而從2010年開始,這一增長節奏逐漸放緩。

“現在,半導體工藝已經逼近量子尺度,摩爾定律的盡頭近在眼前。而傳統CPU受限于散熱問題,其時鐘頻率更早趨于上限?!閉旁隙??!襖礪凵?,極限時鐘頻率是1000G,但傳統CPU受限于散熱,達不到10G。否則,芯片過燙、溫度過高就沒辦法正常工作?!?/SPAN>

如此一來,人們設想的嵌入式高級機器人還能否實現呢?對此,張韻東表示,后摩爾定律時代有幾條不同的路徑,一種觀點是繼續推進摩爾定律,即繼續在新型材料、工藝制程和器件結構上努力,將摩爾定律再推進一步,在單位面積上可以實現更高的集成度;另一種觀點是超越摩爾定律,即通過系統集成單顆芯片或是多芯片堆疊的方式,實現更多的功能。

張韻東表示,中星微的觀點是走“智能摩爾”的路線,即不否認相關技術的物理制約,推進信息層面的技術創新?!罷庖環矯婊乖對睹揮寫锏郊?,如何進一步借鑒人類智慧機理,如何把原始數據提升到有用的信息,在信息層面還有很多技術有待創新?!?/SPAN>

此次,“星光智能一號”就聚集了北京、廣東、天津、山西、江蘇等地的研發力量,采用了先進的過億門級集成電路設計技術及超亞微米芯片制造工藝,實現投片量產。未來,該實驗室將采用更加接近生物人腦的工作機理方式,推出更低功耗、更高運算新能的下一代神經網絡處理器?!叭四緣陌旅叵衷諢乖對睹揮斜渙私??!閉旁隙?,“研究新型的計算架構,提升信息處理的性能功耗比,這可能是下一次信息革命的關鍵點?!?/SPAN>

(綜合科技日報、中國科學報報道)

 


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