第一颗芯片正式诞生,阿里平头哥模式值得期待 | 砺石

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砺石导言

在9月25日的杭州云栖大会上,阿里巴巴平头哥发布了旗下首颗芯片含光800,这是平头哥成立一年以来的又一大突破。丰富的人工智能应用场景,强大的软硬件能力,都将助力平头哥的芯片业务实现很好的发展。而致力于成为芯片产业技术的基础设施,“让天下没有难造的芯片”,并通过AI云服务为企业提供普惠算力的独特模式,才真正让阿里平头哥的未来值得期待。

高冬梅 | 文

刘学辉 | 编辑

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芯片一度是中国IT产业发展的一大症结,但最近笔者在对中国芯片产业的发展进行系统研究时,感到一些乐观。这种乐观源于随着时代变迁,中国正出现国产芯片产业发展的大好机遇。 复盘全球芯片产业发展史,英特尔与高通等全球最顶尖的芯片企业,其发展都离不开应用场景的推动。PC的发展成就了PC芯片巨头企业英特尔,智能手机的发展成就了智能手机芯片企业高通。而在PC蓬勃发展的八、九十年代,中国刚开放不久,整体经济基础还很薄弱,PC普及水平有限,所以基本不可能抓住PC芯片的发展机遇。而以苹果、安卓为核心的智能手机诞生不久,就在中国广泛普及,这让国内企业抓住了智能手机的大发展机会,并且在智能手机和手机处理器上均有突破,这已经比PC时代有了很大进步。 而随着4G网络、家庭宽带与人工智能技术的广泛普及,中国开始在全球率先进入人工智能与物联网结合的AIoT(AI+IoT)时代,在AIoT时代,中国诞生了数十亿甚至上百亿台的AIoT设备,拥有了全世界最丰富的AIoT应用场景,这就给中国芯片产业的发展带来了全新的机会。 并且英特尔、高通等企业主打的PC与智能手机芯片都是通用芯片,而在AIoT时代,非通用芯片的需求开始加大,几家芯片巨头寡头垄断的时代即将逝去,而进入各种芯片企业百花齐放的充分竞争时代。

另外就是一些中国本土优秀科技企业的成长壮大,让其也有充足的资金与资源进入投资巨大的芯片领域。其中,2018年9月19日,中国互联网巨头企业阿里巴巴就在杭州云栖大会上宣布成立平头哥公司,正式进军芯片产业。 阿里巴巴集团创始人马云在演讲中称,“芯片是核心技术,我们确实跟发达国家和发达企业有不少的差距,但是在IoT芯片领域,我们有机会换道超车。”阿里巴巴的进入,大大提升了中国芯片行业的信心。

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阿里巴巴进入芯片产业,并非一时冲动的偶然,其实是一种必然。 目前,阿里巴巴集团已经横跨电商、金融、物流、云计算、大数据与全球化等多个业务,这些业务拥有世界上最挑战、最丰富的人工智能应用场景。而这些业务场景都对算力具有巨大的需求量,需要使用大量AI专用芯片提供算力。 阿里巴巴也认为,芯片、AI和云计算之间相互融合、协调发展是大势所趋,人工智能算法将逐渐集成到芯片,集成算法的专用芯片则为云服务提供了更强的性能,而云计算本身则加速了人工智能应用的大规模落地。所以,拥有自己的芯片,不仅可以降低阿里巴巴集团的整体计算的成本,还可以以云服务的方式赋能更多的客户企业。 而在芯片、AI和云计算这三者之间,阿里云稳居全球云计算厂商前三、亚太第一的位置,超过一半的中国A股上市公司和80%的中国科技类企业在使用阿里云的服务。作为业界最大的人工智能应用者之一,阿里巴巴拥有丰富的应用场景,在此之上,达摩院已建成完善的算法体系,涵盖语音智能、语言技术、机器视觉、决策智能等方向,并取得多个世界领先水平的成果,在国际顶级学术会议上共发表了近400篇顶级论文,唯有芯片是唯一缺失的关键一环。 在此背景下,阿里巴巴开始坚定在芯片领域进行布局,先是于2017年成立达摩院,在芯片等关键领域做基础性技术的研究投入,2018年4月,达摩院宣布从用于图像视频分析、机器学习等AI计算的神经网络芯片Ali-NPU切入造芯事业,同时全资收购杭州中天微增强自身在芯片量产方面的能力。后又于2018年9月举行的杭州云栖大会上成立独立的半导体公司,开始推动高水平芯片的研发和产业化,并很快取得了一系列显著成果。

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2019年7月,平头哥先是发布了行业内性能最强RISC-V处理器玄铁910 ,这是一款基于RISC-V开源架构开发的针对5G、人工智能等领域的高性能计算的IP core,可以理解为是系统级芯片SoC里的CPU,是芯片设计最核心的组件,可以为AIoT场景提供强大算力。 以英特尔和ARM为参照,或许更容易理解玄铁910的定位。它不是像英特尔一样完全整合的CPU,而是ARM架构下类似CPU IP的形态,华为麒麟要用,高通骁龙要用,三星苹果的手机芯片也离不开。只是玄铁910面向的是AIoT——更丰富的万物互联场景,性能更高,适用性更广,开发和进一步流片量产的门槛更低,更重要的是,整体性能比公开的RISC-V最好的处理器还要提升40%,成本降低至少一半。 8月,平头哥又发布了一站式芯片设计平台无剑SoC平台,该平台涵盖CPU、GPU等领域,目的是降低企业的芯片设计门槛。

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在9月25日举行的2019年云栖大会上,阿里平头哥在成立一周年之际,又重磅发布了为人工智能场景深度定制的含光800芯片。之前发布的玄铁和无剑分别是处理器IP和芯片设计平台,致力于帮助企业制造芯片,而含光芯片是阿里巴巴真正意义上的第一款成型的AI芯片。 含光800是一款神经网络处理器,区别于传统通用处理器。传统通用处理器基于冯诺依曼结构,其存储和运算处理是分离的,如果处理深度神经网络,需要大量读写运行操作,会受到带宽限制,因此效率较低。而神经网络处理器顾名思义就是专门处理深度神经网络算法的芯片。含光800神经网络芯片,可以根据神经网络推理运算特征,设计特定的硬件神经元、高速连接的存储结构以及专用指令集,对内存和计算单元实现高效组织管理,实现单条指令完成多个操作,提高计算效率和内存访问效率。

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含光800主要用于云端视觉处理场景,其性能及能效比全球第一,在芯片测试标准平台Resnet-50上的具体分数为:性能78563 IPS,比目前业界最好的AI芯片性能高4倍;能效比500 IPS/W,是第二名(150)的3.3倍,打破了现有所有AI芯片的记录。 玄铁910、无剑SoC平台与含光800都是取名于兵器名称,玄铁是金庸笔下的第一神剑,重达六十四斤,最早为独孤求败所用,后被郭靖夫妇熔铸成倚天剑和屠龙刀。“重剑无锋,大巧不工”,象征玄铁910处理器在芯片上的作用。“无剑”取独孤求败“顶级剑客手中无剑”之意,独孤求败四十岁前使用玄铁重剑,“四十岁后,草木竹石均可为剑,渐进于无剑胜有剑之境”,象征无剑平台不售卖芯片,而是帮助各路芯片设计企业“铸剑”。含光则是上古三大神剑之一,该剑含而不露,光而不耀,与含光800带来的无形却强劲的算力极为吻合。 目前,含光800芯片已经在视频图像识别/分类/搜索、城市大脑等阿里巴巴集团内的多个场景,实现了大规模应用,未来还可应用于医疗影像与自动驾驶等领域。

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在云栖大会现场,平头哥现场演示了该芯片的强大性能:在城市大脑中实时处理杭州主城区交通视频,需要40颗传统GPU,延时为300ms,使用含光800仅需4颗,延时降至150ms。拍立淘商品库每天新增10亿商品图片,使用传统GPU算力识别需要1小时,使用含光800后可缩减至5分钟。 含光800的算力除了满足阿里巴巴集团内部场景的需求,还会通过阿里云的AI云服务形式让企业随时随地可以享受高性能计算服务,帮助企业用更低的成本获取高性能算力,加速业务创新。据悉,与传统GPU算力相比,性价比可提升100%。

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芯片研发是一个复杂的系统工程,单纯完成芯片设计并不意味着就可以流片成功,假如流片失败,就意味着硬件设计需要推倒重来,这比软件出BUG问题更加严重。一般芯片公司需要做两次(engineering sample、production sample)或多次才能流片成功。即使流片成功后也不代表就可以直接商用,它还需要经过复杂的测试验证,在各项指标都符合实际场景需求后才到了真正的商用阶段。 而含光800在一年的时间内便完成从设计到流片,到测试,再到商用的整个过程,首先得益于阿里巴巴集团内部丰富的场景,让平头哥早期就针对场景做了大量差异化的优化设计。另外则是得益于阿里软硬件的深厚积累。 在硬件方面,阿里巴巴此前已在服务器、FPGA以及存储等领域拥有多年研发经验,此外,平头哥团队在体系结构、编译技术等领域拥有深厚的技术储备;算法方面,阿里巴巴达摩院机器智能实验室过去两年构建了完整的算法体系,涵盖语音智能、语言技术、机器视觉、决策智能等方向,并且取得多个世界领先水平的成果。 基于硬件架构和软件算法领域的这些能力,平头哥突破了算法和硬件之间的鸿沟,对二者实现了高度适配,在产品性能上取得了很好的效果。例如,功耗是人工智能芯片行业通病,平头哥自研架构可大幅减少对内存的访问,在保证极致性能的情况下,把芯片功耗降到最低水平。而传统CPU、GPU在深度学习推理任务上并没有完全发挥硬件能力,例如GPU架构主要针对图像处理设计,其硬件结构、软件生态几乎固化,因此对AI任务很难有深度优化。

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当前,从平头哥的业务布局我们可以看出,其正在从终端和云端两侧构建端云一体的芯片生态应用生态。 在端侧,平头哥目前已经拥有全栈芯片产品家族,涵盖终端处理器IP、终端芯片设计平台SoC与云端AI芯片。其中,玄铁处理器IP是所有高端系统芯片都需要的最核心的基础设施产品,无剑SoC平台则集成了CPU、GPU、NNU等计算单元,都是来帮助企业降低芯片设计门槛。

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在云端,阿里云基于含光800的AI云服务也正式上线,全球前三、亚太第一的阿里云为平头哥服务企业提供了绝佳平台。某种程度上,平头哥芯片也是阿里“All in Cloud”战略当中的重要一环。 当然,对阿里而言,这还只是芯片战略的万里长征第一步,平头哥还会进一步完善产品形态,例如云上AI训练芯片和端上的AI推理芯片。目前平头哥还在研发用于阿里云神龙服务器的SoC专用芯片,以满足更多场景的算力需求。 除此之外,平头哥还将继续开发操作系统,软硬件融合的算法,核心的IP等。把这些共性的技术能够做好做精做出竞争力,并形成生态,然后开放给其他的芯片设计厂商,让他们基于高质量的基础设施打造芯片产品。 基于上述产品,我们发现阿里平头哥和绝大多数芯片企业的商业模式有着本质不同,大多数芯片企业的商业模式主要以销售芯片为主,而平头哥则继承了阿里巴巴集团“让天下没有难做的生意”的使命,其一方面通过提供核心IP与打造芯片设计平台,致力于成为芯片产业的技术基础设施,另一方面通过AI云服务的形式为大量企业提供普惠的AI算力。 AIoT场景下具有强应用驱动和场景碎片化等特点,这决定了物联网设备的芯片厂商无法按照传统通用芯片的方式去设计AIoT芯片,而是需要新的计算架构,以及安全、在线和智能等新的特性,而阿里平头哥为芯片产业提供大量的基础设施,将大大降低这些芯片企业的研发门槛。 丰富的人工智能应用场景,强大的软硬件能力,都将助力阿里平头哥的芯片业务实现很好的发展。而致力于成为芯片产业技术基础设施,“让天下没有难造的芯片”,并通过AI云服务为广大企业提供普惠算力的独特模式,才真正让阿里平头哥的未来值得期待。

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