老黃心血之作 英偉達能憑借Tesla V100技壓群雄嗎？

雷峰網(wǎng)按：本文作者鐵流，雷鋒網(wǎng)(公眾號：雷鋒網(wǎng))首發(fā)。

上周，英偉達在加州舉行了2017年的GPU技術(shù)大會（GTC2017）。在大會上，英偉達CEO黃仁勛發(fā)布了全新力作——NVIDIA Tesla V100。根據(jù)英偉達官方介紹，Tesla V100采用了全新架構(gòu)Volta，不僅會有更強的性能，還增加了TensorCore用以專門針對深度學(xué)習(xí)。在發(fā)布會后，英偉達的股價也隨之走高。那么英偉達能憑借Tesla V100強悍的性能在深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域力壓群雄嗎？

Tesla V100的優(yōu)點和存在的不足

根據(jù)英偉達官方介紹，TeslaV100采用臺積電12nm FinFET制造工藝，供集成了210億個晶體管，芯片面積達815平方毫米。英偉達為了針對深度學(xué)習(xí)，專門進行了優(yōu)化，經(jīng)過優(yōu)化的設(shè)計比前代Pascal架構(gòu)能效高50%。而且新的 Tensor Core是專門為深度學(xué)習(xí)設(shè)計的，為浮點運算速度帶來了 12 倍的提升——TeslaV100增加了TensorCore，Tensor單元本質(zhì)上是把運算器做得更密集，以這種方式獲取更強性能。此外，TeslaV100還擁有更大的帶寬和更低的延遲，半精度浮點乘混合單精度浮點加法也非常適合深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練。

簡而言之，就是運算器堆的更多，矩陣乘法運算能力更強，性能得道大幅提升，Tesla V100雙精浮點運算性能高達7.5TFlops，相比之下，Intel用于深度學(xué)習(xí)的KnightsMill雙精浮點性能為3TFlops。

由于人工智能的迅速發(fā)展，諸多企業(yè)對與高性能深度學(xué)習(xí)處理器的需求也與日俱增:

微軟的ResNet的深度學(xué)習(xí)項目需要每秒7百億億次浮點運算的處理能力；

百度2016年打造的DeepSpeech2AI需要每秒20百億億次浮點運算的處理能力；

谷歌2017年打造的NMT則需要每秒105百億億次浮點運算的處理能力；

......

因此，英偉達的TeslaV100作為數(shù)據(jù)中心GPU是非常具有潛力的，不僅可以滿足訓(xùn)練的需求，還可以放在后臺提供相關(guān)服務(wù)。

雖然TeslaV100在性能上無與倫比，而且在一些領(lǐng)域頗具市場潛力，但還是存在不少缺點的。比如芯片面積過大——高達815平方毫米，而過大的芯片面積，加上英偉達在該款芯片上巨額的研發(fā)投入（黃仁勛稱英偉達花了30億美元打造這款芯片），直接導(dǎo)致Tesla V100的價格異常昂貴，售價高達14.9萬美元。如此高的售價會讓很多用戶望而卻步。

就產(chǎn)品定位來說，Tesla V100性能超強，拿來類比的話是一臺超級計算機，而在很多場景下，其實用不到性能這么強，價格如此昂貴的產(chǎn)品。對于普羅大眾和大多數(shù)應(yīng)用場景來說，性能夠用、功耗低且廉價的產(chǎn)品才是最好的選擇，就像普通消費者需要的是智能手機和PC，而不是超級計算機。比如將來智能手機里如果要集成針對深度學(xué)習(xí)的模塊，英偉達的產(chǎn)品顯然是不合適的。在這種場景下，開發(fā)專門針對嵌入式平臺的處理器IP更加符合市場需求。

英偉達的Tesla V100的市場定位類似于核彈，但真正需要核彈的場景其實相對不多，而且客戶也只能是谷歌、微軟、百度這些國際巨頭。正如核彈僅被少數(shù)國家掌握，而且在國際沖突和局部戰(zhàn)爭中鮮有使用，AK47和RPG是才是被最廣泛使用的武器類似，英偉達的這種市場定位，會使其失去非常廣闊的嵌入式設(shè)備市場。

最后就是功耗的問題，英偉達的終端低功耗做得不夠好。必須說明的是，臺積電的12nm工藝其實是16nm工藝的改良版本，是針對三星玩14nm命名游戲的反擊。因此，臺積電的12nm工藝到底對功耗控制有多大實際效果還是等產(chǎn)品上市后才能見分曉了。

深度學(xué)習(xí)處理器將進入戰(zhàn)國時代

自AlphaGo與韓國棋手李世石大戰(zhàn)之后，深度學(xué)習(xí)、人工智能這些概念立馬火了，不僅成為資本的寵兒，各色各樣的深度學(xué)習(xí)處理器紛紛涌現(xiàn)出來，各家IC設(shè)計公司推出了各自CPU、GPU、FPGA、DSP、ASIC等方案。

就CPU來說，最典型的就是Intel的Xeon Phi。Intel的眾核芯片雙精浮點性能為3 TFlops，性能功耗比為12 GFlops/W。雖然Intel宣稱：“四片 Knights Landing Xeon Phi芯片比四片 GPU要快 2.3 倍”、“使用Intel優(yōu)化版的Caffe深度學(xué)習(xí)框架時，Xeon Phi芯片要比標準 Caffe 實現(xiàn)快30倍”。但目前來說，還是英偉達的GPU更勝一籌。除了Intel之外，中國自主設(shè)計的申威26010也是一個潛在的選手，在人工智能領(lǐng)域也有應(yīng)用的潛力，百度還為此與申威有過接觸。

在DSP上，國內(nèi)外還有不少單位或公司也選擇用傳統(tǒng)SIMD/DSP架構(gòu)適配神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。比如中星微的星光智能一號、CEVA公司的XM4處理器、Cadence公司的Tensilica Vision P5處理器、Synopsys公司的EV處理器等。這些處理器本質(zhì)上都是將傳統(tǒng)的面向數(shù)字信號處理的DSP處理器架構(gòu)用于處理神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，主要在運算器方面作了相應(yīng)修改，例如低位寬和超越函數(shù)。這種做法的優(yōu)勢在于可以充分利用現(xiàn)有的成熟技術(shù)，但缺點也很明顯，就是在應(yīng)用領(lǐng)域上有一定局限性。大多用于卷積神經(jīng)網(wǎng)（CNN），而對循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）和長短期記憶網(wǎng)絡(luò)（LSTM）等處理語音和自然語言的網(wǎng)絡(luò)則無能為力。換言之，就是這種DSP主要用于機器視覺領(lǐng)域，可能難以應(yīng)用到語音識別、文本處理和自然語言理解等領(lǐng)域。雖然采用DSP作為人工智能硬件存在一定不足。不過，采用現(xiàn)有比較成熟技術(shù)應(yīng)用于人工智能細分市場的做法在商業(yè)上還是有一定潛力的。

在FPGA上，阿爾特拉推出的用于人工智能的FPGA，雙精浮點性能為1.5TFlops，雖然雙精浮點性能只有 Xeon Phi 眾核芯片的一半，但性能功耗比卻高達50GFlops/W，如果人工智能硬件選擇FPGA，那么不僅對Xeon Phi 眾核芯片在性能功耗比上有明顯優(yōu)勢，對英偉達的GPGPU也占據(jù)優(yōu)勢地位。而更高的性能功耗比就意味著在運營和維護中能夠節(jié)省電費。FPGA雖然會在新興領(lǐng)域取得一定成績，但卻缺乏性價比的問題，而且在新興領(lǐng)域發(fā)展壯大后容易被專用芯片所取代。不過，就目前來說，F(xiàn)PGA也是深度學(xué)習(xí)處理器的一個選擇。

在ASIC方面，中國中科院計算所孵化好市場化的寒武紀公司寒武紀開發(fā)出了一系列產(chǎn)品，在芯片面積控制和性能功耗比上具有非常出色的表現(xiàn)。而在學(xué)術(shù)成果斐然：在2014年—2016年橫掃體系結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)圈，Diannao（電腦）是ASPLOS'14最佳論文（亞洲第一次）；DaDiannao（大電腦）是MICRO'14最佳論文（美國以外國家的第一次）；PuDiannao（普電腦）、ShiDiannao（視電腦）、還有指令集Cambricon等后繼工作都連中ASPLOS、ISCA。不過，ASIC也存在開發(fā)周期比較長的遺憾，這對寒武紀在人工智能芯片的短期商業(yè)競爭中非常不利，特別是在中國半導(dǎo)體工業(yè)原本就落后于西方的情況下。最后要說的是谷歌的TPU，谷歌TPU其實是傳統(tǒng)脈動陣列機的結(jié)構(gòu)，MIT于2016年前后發(fā)表的Eyeriss也是類似的架構(gòu)，必須指出的是，脈動陣列架構(gòu)是非常老的技術(shù)，同時也是非常經(jīng)典的技術(shù)。早在上世紀80年代初，中科院計算所的夏培肅院士和李國杰院士就曾將脈動陣列架構(gòu)用于石油勘探——計算所曾經(jīng)研發(fā)過的石油勘探專用機就是采用了脈動陣列架構(gòu)。從實際運行性能表現(xiàn)上看，TPU雖然可能在面對退化情形的卷積上也會遇到困難，但做卷積神經(jīng)網(wǎng)路（CNN）時總體效果還是不錯，但做其他類型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運算，可能效率不是那么高，通用性不是那么的好。例如在語音識別和自然語言理解中常用的長短期記憶網(wǎng)絡(luò)（LSTM）上面，TPU只有4%左右的效率。

總而言之，就深度學(xué)習(xí)處理器而言，已然進入戰(zhàn)國時代，而且各家的產(chǎn)品都有可能在這個廣闊的市場中找到自己的定位和細分市場，在這種情形下，英偉達想憑借Tesla V100一統(tǒng)江山顯然是不切合實際的。在戰(zhàn)國時代，相對于技術(shù)上的片面追求極致性能，而忽視成本、功耗、價格，如何開拓更多細分市場，更好的商業(yè)化才是在大爭之世的當(dāng)務(wù)之急。

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