如何才能让AI芯片跟上算法的速度？

早在2019年斯坦福大学就有报告指出，AI对算力需求的速度要快于芯片的发展速度。“在 2012年之前，AI的发展与摩尔定律的遵循度极高，计算能力每两年翻一番，但2012年之后，AI的计算能力每3.4个月就翻一番。”

当通用处理器算力跟不上 AI 应用的需求，针对 AI 计算的专用处理器便诞生了，也就是常说的“AI 芯片”。自2015年AI算法在视觉识别方面超越人类分数，业界对AI芯片关注度大增，也因此带动了相关IP技术的发展，加快了下一代处理器和存储器的速度，实现了更高的带宽接口，从而紧紧跟上AI算法的步伐。图1显示了自2012年引入反向传播和现代神经网络，并与NVIDIA的重型计算 GPU 引擎相结合后，AI典型错误率呈现肉眼可见的降低。

图 1：在 2012 年引入现代神经网络后，AI分类错误迅速减少，2015年起低于人类错误率

随着AI 算法日益复杂，无法在专为消费类产品设计的 SoC 上执行，需要使用修剪、量化等技术对齐进行压缩，从而减少系统需要的内存和计算量，但这样就会影响准确性。所以工程上面临一个挑战：如何实施压缩技术而不影响AI应用所需的精度？

除了AI算法复杂性的提升之外，由于输入数据的增加，推理所需的数据量也急剧增长。图 2 显示了优化后的视觉算法所需的内存和计算量。该算法设计为相对较小的 6MB 内存占用空间（SSD-MobileNet-V1 的内存要求）。在这个特定示例中，我们可以看到，随着像素大小和颜色深度的增加，最新的图像捕获中的内存要求已从 5MB 增加到 400MB 以上。

目前最新的三星手机CMOS图像传感器摄像头支持高达108MP。理论上，这些摄像头在30fps和超过1.3GB 内存下可能需要40 TOPS的性能。但ISP中的技术以及 AI 算法中特定的区域，无法满足这些要求，40 TOPS性能尚无法在手机上实现。但通过此示例能看出边缘设备的复杂性和挑战，并且也正在推动传感器接口IP的发展。MIPI CSI-2 具有专门的区域来解决这个问题，MIPI C/D-PHY 继续增加带宽，以处理驱动数亿像素的最新 CMOS 图像传感器数据。

图 2：随着输入像素增大，SSD-MobileNet-V1 的内存变化测试

如今的解决方案就是压缩AI算法，压缩图像，这就使得芯片优化变得极其复杂，尤其是对于内存有限、处理量有限且功耗预算较小的 SoC。

AI芯片厂商通常对会其芯片进行一些基准测试。现在的SoC有多种不同的衡量指标。首先，每秒万亿次运算 (TOPS) 是性能的一个主要指标，通过这项数据可以更清楚地了解芯片能力，例如芯片可以处理的运算类型和质量。再者，每秒推理数也是一个主要指标，但需要了解频率和其他参数。因此，行业内开发了额外的基准测试来帮忙AI 芯片进行评估。

MLPerf/ML Commons和AI.benchmark.com都是AI芯片标准化基准测试的工具。其中，ML Commons 主要提供芯片精度、速度和效率相关的测量规则，这对了解芯片处理不同 AI 算法的能力非常重要，如前所述，在不了解精度目标的情况下，我们是无法在芯片进度与压缩程度之间做取舍的。此外，ML Commons还提供通用数据集和最佳实践。

位于瑞士苏黎世的 Computer Vision Lab 还提供移动处理器的基准测试，并发布其结果和芯片要求以及支持重复使用的其它信息。包括 78 项测试和超过180 个性能方面的基准。

斯坦福大学的DAWNBench为ML Commons的工作提供了支持。这些测试不仅能解决 AI 性能评分问题，还解决了处理器执行 AI 算法训练和推理的总时间问题。这解决了芯片设计工程目标的一个关键问题，即降低整体拥有成本或总拥有成本。AI 处理时间，决定了云端 AI 租赁或边缘计算的芯片所有权，对于组织的整体 AI 芯片策略更有用。

另一种流行的基准测试方法，是利用常见的开源图形和模型，但这些模型也有一些弊端。例如，ResNET-50 的数据集为 256x256，但这不一定是最终应用中可能使用的分辨率。其次，该模型较旧，层数少于许多较新模型。第三，模型可以由处理器 IP 供应商手动优化，但这并不代表系统将如何与其他模型一起执行。除了ResNET-50之外，还有大量可用的开源模型，通过它们可以看到该领域的最新进展，并为性能提供良好的指标。

最后，针对特定应用的定制图形和模型变得越来越普遍。理想情况下，这是对 AI 芯片进行基准测试，以及合理优化以降低功耗和提高性能的最佳方案。

由于SoC开发者各有不同的目标，有些是应用于高性能领域，有的是用于较低性能的领域，还有的是通用AI领域，以及ASIC领域。对于不知道需要按照哪种 AI 模型进行优化的 SoC，自定义模型和开放可用模型的良好组合，可以很好地指示性能和功耗。这种组合在当今市场中最常用。然而，在 SoC 进入市场后，上述较新的基准测试标准的出现，似乎在比较中具有一定的相关性。

现在越来越多的数据计算在边缘发生，鉴于边缘优化的复杂性，当今的 AI 解决方案必须协同设计软件和芯片。为此，它们必须利用正确的基准测试技术，同时还必须有工具支持，从而使设计人员能够准确探索系统、SoC 或半导体 IP 的不同优化方式，调查工艺节点、存储器、处理器、接口等。

在这方面，新思科技可针对特定领域提供有效的工具，来对 IP、SoC 和更广泛的系统进行模拟、原型验证和基准测试。

首先，新思科技HAPS® 原型验证解决方案通常用于展示不同处理器配置的能力和权衡。该工具能够检测出除了处理器之外， AI 系统的带宽在什么情况下开始成为瓶颈？传感器输入（通过 MIPI）或存储器访问（通过 LPDDR）在处理不同任务时的最佳带宽是多少？

再一个，新思科技ZeBu® 仿真系统可用于功率模拟。ZeBu Empower可采用AI、5G、数据中心和移动SoC应用的真实软件工作负载，在数小时内完成功耗验证周期。此仿真系统已被证明优于 AI 工作负载的模拟和/或静态分析。

用户还可以通过新思科技的 Platform Architect 探索 SoC 设计的系统层面。Platform Architect 最初用于内存、处理性能和功耗探索，最近越来越多地用于了解 AI 的系统级性能和功耗。使用预构建的LPDDR 、ARC处理器模型用于 AI、存储器等，可以进行灵敏度分析，以确定最佳设计参数。

新思科技拥有一支经验丰富的团队，负责开发从 ASIP Designer 到 ARC 处理器的 AI 处理解决方案。包括内存编译器在内的经过验证的基础 IP 产品组合已广泛应用于 AI SoC。AI 应用的接口 IP 范围从传感器输入到 I3C 和 MIPI，再到通过 CXL、PCIe 和 Die to Die 解决方案的芯片到芯片连接，以及通过以太网的网络功能。

软件和芯片协同设计已经成为现实，选择正确的工具和专业知识至关重要。新思科技正在利用专业知识、服务和成熟的IP，为客户提供最适合的方法，在不断变化的情况下优化 AI 芯片。

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