四大類人工智能芯片(GPU、ASIC、FGPA、類腦芯片)及系統(tǒng)級智能芯片在國內(nèi)的發(fā)展進度參差不齊。用于云端的訓練、推斷等大算力通用 芯片發(fā)展較為落后;適用于更多垂直行業(yè)的終端應用芯片如自動駕駛、智能安防、機器人等專用芯片發(fā)展較快。超過80%中國人工智能產(chǎn)業(yè)鏈企 業(yè)也集中在應用層。總體來看，人工智能芯片的發(fā)展仍需基礎科學積累和沉淀，因此，產(chǎn)學研融合不失為一種有效的途徑。研究主體界定：面向人工智能領域的芯片及其技術、算法與應用無芯片不AI , 以AI芯片為載體實現(xiàn)的算力是人工智能發(fā)展水平的重要衡量標準。

廣義的AI芯片：專門用于處理人工智能應用中大量計算任務的模塊，即面向人工智能領域的芯片均被稱為AI芯片。狹義的AI芯片：針對人工智能算法做了特殊加速設計的芯片。

《2022中國AI芯片行業(yè)研究報告》報告將對針對狹義的AI芯片即人工智能算法做特殊加速設計的四種主流芯片GPU、ASIC、FPGA、類腦芯片以及系統(tǒng)級AI芯片技術、實現(xiàn) AI的主流算法及在場景中的應用情況進行解析。

AI芯片的發(fā)展歷程：模仿人腦建立的模型和算法與半導體芯片發(fā)展交替進行

人工智能算法需要在計算機設備上實現(xiàn)，而芯片又是計算機設備運作的核心零件，因此AI芯片的發(fā)展主要依賴兩個領域：第一個是模仿人腦建 立的數(shù)學模型與算法，第二個是半導體集成電路即芯片。優(yōu)質(zhì)的算法需要足夠的運算能力也就是高性能芯片的支持。

億歐智庫2019年發(fā)布AI芯片行業(yè)研究

報告認為，人工智能于芯片的發(fā)展分為三個階段：第一階段由于芯片算力不足，神經(jīng)網(wǎng)絡算法未能落 地;第二階段芯片算力提升，但仍無法滿足神經(jīng)網(wǎng)絡算法需求;第三階段，GPU和新架構(gòu)的AI芯片促進了人工智能的落地。目前，隨著第三代神經(jīng)網(wǎng)絡的出現(xiàn)，彌合了神經(jīng)科學與機器學習之間的壁壘，AI芯片正在向更接近人腦的方向發(fā)展。

基于技術架構(gòu)、部署位置及實踐目標的AI芯片分類

AI芯片一般泛指所有用來加速AI應用，尤其是用在基于神經(jīng)網(wǎng)絡的深度學習中的硬件。AI芯片根據(jù)其技術架構(gòu)，可分為GPU、FPGA、ASIC及類腦芯片，同時CPU可執(zhí)行通用AI計算，其中類腦芯片還處于探索階段。AI芯片根據(jù)其在網(wǎng)絡中的位置可以分為云端AI芯片、邊緣及終端AI芯片;根據(jù)其在實踐中的目標，可分為訓練(training)芯片和推理 (inference)芯片。

云端主要部署訓練芯片和推理芯片，承擔訓練和推理任務，具體指智能數(shù)據(jù)分析、模型訓練任務和部分對傳輸帶寬要求比高的推理任務;邊緣 和終端主要部署推理芯片，承擔推理任務，需要獨立完成數(shù)據(jù)收集、環(huán)境感知、人機交互及部分推理決策控制任務。

GPU：從圖形處理器到通用數(shù)據(jù)并行處理器GPU(Graphics Processing Unit)，圖形處理器最初是一種專門用于圖像處理的微處理器，隨著圖像處理需求的不斷提升，其圖像處理能力也得 到迅速提升。目前，GPU主要采用數(shù)據(jù)并行計算模式完成頂點渲染、像素渲染、幾何渲染、物理計算和通用計算等任務。因其超過CPU數(shù)十倍 的計算能力，已成為通用計算機和超級計算機的主要處理器。其中通用圖形處理器GPGPU(GeneralPropose Computing on GPU)常用于數(shù)據(jù) 密集的科學與工程計算中。英偉達與AMD仍占據(jù)GPU霸主地位，2018年至今，國產(chǎn)GPU也積極發(fā)展中，已有部分產(chǎn)品落地。

ASIC與FPGA: AI芯片領域“兵家必爭之地”

FPGA全稱是Field Programmable Gate Array：可編程邏輯門陣列，是一種“可重構(gòu)”芯片，具有模塊化和規(guī)則化的架構(gòu)，主要包含可編程 邏輯模塊、片上儲存器及用于連接邏輯模塊的克重購互連層次結(jié)構(gòu)。在較低的功耗下達到GFLOPS數(shù)量級的算力使之成為并行實現(xiàn)人工神經(jīng) 網(wǎng)絡的替代方案。ASIC(Application-Specific Integrated Circuit)是指應特定用戶要求和特定電子系統(tǒng)的需要而設計、制造的集成電路。ASIC從性能、能效、 成本均極大的超越了標準芯片，非常適合AI計算場景，是當前大部分AI初創(chuàng)公司開發(fā)的目標產(chǎn)品。

ASIC與FPGA：功能與市場定位不同，競爭關系不明顯

FPGA具有開發(fā)周期短，上市速度快，可配置性等特點，目前被大量的應用在大型企業(yè)的線上數(shù)據(jù)處理中心和軍工單位。ASIC一次性成本遠遠 高于FPGA，但由于其量產(chǎn)成本低，應用上就偏向于消費電子，如移動終端等領域。目前，處理器中開始集成FPGA，也出現(xiàn)了可編程的ASIC，同時，隨著SoC的發(fā)展，兩者也在互相融合。

基于不同硬件實現(xiàn)方式的AI芯片：系統(tǒng)級芯片

在手機、可穿戴設備等端設備中，很少有獨立的芯片，AI加速將由SoC上的一個IP實現(xiàn)。SoC(System-on-chip，片上系統(tǒng))作為ASIC設計方法學中的新技術，始于20世紀90年代中期，是以嵌入式系統(tǒng)為核心，以IP復用技術為基 礎，集軟、硬件于一體的集成芯片。在一個芯片上實現(xiàn)信號的傳輸、存儲、處理和I/O等功能，包含嵌入軟件及整個系統(tǒng)的全部內(nèi)容。由于高集成效能，SoC已經(jīng)成為微電子芯片發(fā)展的必然趨勢。

基于不同計算范式的AI芯片：類腦芯片

CPU/GPU/GFPGA/ASIC及SoC是目前用的較多的AI芯片，此類AI芯片大多是基于深度學習，也就是深度神經(jīng)網(wǎng)絡(DNN)，以并行方式進 行計算的芯片，此類AI芯片又被稱為深度學習加速器。如今，模仿大腦結(jié)構(gòu)的芯片具有更高的效率和更低的功耗，這類基于神經(jīng)形態(tài)計算，也就是脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(SNN)的芯片為類腦芯片。目前，部分企業(yè)產(chǎn)品已進入小批量試用階段 ,類腦芯片最快將于2023年成熟，能效比有望較當前芯片提高2-3個數(shù)量級。

AI芯片發(fā)展：向著更低功耗、更接近人腦、更靠近邊緣的方向

現(xiàn)在用于深度學習的AI芯片(包括CPU、GPU、FPGA、ASIC)為了實現(xiàn)深度學習的龐大乘積累加運算和并行計算的高性能，芯片面積越做越 大，帶來了成本和散熱等問題。AI芯片軟件編程的成熟度、芯片的安全，神經(jīng)網(wǎng)絡的穩(wěn)定性等問題也未能得到很好的解決，因此，在現(xiàn)有基礎 上進行改進和完善此類AI芯片仍是當前主要的研究方向。最終，AI芯片將近一步提高智能，向著更接近人腦的高度智能方向不斷發(fā)展，并向著邊緣逐步移動以獲得更低的能耗。

AI芯片發(fā)展：計算范式創(chuàng)新方向及其硬件實現(xiàn)

AI硬件加速技術已經(jīng)逐漸走向成熟。未來可能更多的創(chuàng)新會來自電路和器件級技術的結(jié)合，比如存內(nèi)計算，類腦計算;或者是針對特殊的計 算模式或者新模型，比如稀疏化計算和近似計算，對圖網(wǎng)絡的加速;或者是針對數(shù)據(jù)而不是模型的特征來優(yōu)化架構(gòu)。同時，如果算法不發(fā)生大的變化，按照現(xiàn)在AI加速的主要方法和半導體技術發(fā)展的趨勢，或?qū)⒃诓贿h的將來達到數(shù)字電路的極限(約1到 10TFlops/W)，往后則要靠近似計算，模擬計算，甚至是材料或基礎研究上的創(chuàng)新。

審核編輯：湯梓紅