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科技攻关促变迁 AI芯片竞相研——《AI芯片》一书有特点 精选

已有 5922 次阅读 2024-8-23 22:21 |系统分类:博客资讯

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202291日至3日,第六届世界人工智能大会在上海召开,在各种人工智能技术中,作为人工智能产业的基础关键硬件,AI芯片成为本次大会主角。915日,2022年全国“大众创业,万众创新”活动周在合肥启动,我国具备领先创新技术的昆仑芯2AI芯片登台亮相,全面展示昆仑芯科技“双创”落地成果,以强大的AI算力助推我国数字经济高速发展。
人工智能(Artificial Intelligence,简称AI)是研究、开发用于模拟延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新技术科学。芯片通常为半导体元件产品的统称,AI芯片则是专门用于处理人工智能应用中大量计算任务的模块,目前最主要的AI芯片的工作原理就是把当前主流的人工智能方法——深度神经网络学习算法固化到芯片里,以便对输入的信息进行智能处理,继而输出经处理后预想得到的结果。
金秋9月刚过一半,AI芯片就频频出镜,格外引人瞩目。我手头正好有一本人民邮电出版社20214月出版的《AI芯片——前沿技术与创新未来》(以下简称《AI芯片》),认真研读并推介,希冀与广大读者一道获得更多的AI芯片知识,了解相应的技术未来发展趋势。
AI芯片》从人工智能发展历史讲起,通过介绍AI芯片的工作原理、技术与市场现状、发展趋势,着重解析了深度神经网络芯片和类脑芯片等主流芯片,并结合产业格局深入分析了相关AI芯片案例,为读者勾勒出了这个领域的整体发展框架。我虽是这方面的外行,但研读这样一本大部头的高端科普学术图书,并没有觉得太费力,现根据自己的理解梳理出该书所具有的如下三大特点。
《AI芯片》是AI芯片主流大厂首席科学家多年研发经验和前瞻展望的倾心总结,阐明了AI芯片技术的发展离不开基础理论指导与工程实践突破。1956年“人工智能”这一术语首次被提出,世界上第一块芯片1957年首次被发明,半个多世纪以来,人工智能学科和芯片技术得到了长足发展。从最初深度学习加速器的产业化,到基于神经形态计算的类脑芯片的迅猛发展,AI芯片在近些年来已取得了巨大的进步,并被广泛应用于人脸识别、汽车驾驶、艺术创作、新材料合成、新药开发、医学诊断、机器人研制以及人们的日常生活之中,彰显了其广阔、深远的应用前景。
《AI芯片》作者张臣雄大学毕业于上海交通大学电子工程系,在德国获工学硕士和工学博士学位,他任职于西门子Interphase并在上海通信技术中心及世界500强大型高科技企业分别担任CEO/CTO、首席科学家等职。《AI芯片》得益于他长期从事主管半导体芯片研究和开发,致力于推动芯片产业化应用的丰富理论与实践经验,全书共5篇17章,全面讲述了AI芯片的发展历史、技术路线、理论基础和产业实践等内容。
在科技发展日新月异的今天,各种颠覆性的创新(包括基础理论的创新)正源源不断涌现。在张臣雄博士看来,AI 的发展包含了两个并行发展和演进的领域:一个是“AI发现”领域,该领域包含了不断在创新的新型神经网络等AI算法;另一个是“AI实现”领域,即如何通过芯片用最佳的架构、电路、器件和新的材料实现上述算法。换一句话说,AI 芯片的发展主要依赖两个领域的创新和演进:一个是模仿人脑建立起来的数学模型和算法,这与脑生物神经学和计算机科学相关;另一个是半导体集成电路,也即芯片,这与计算机和电子领域的高新技术相关。
是基于这样的认识,《I芯片》的第一篇“导论”和第三篇“用于AI芯片的创新计算范式”,尤其是第六篇“促进AI芯片发展的基础理论研究、应用与创新”,重点介绍了促进AI芯片技术发展的相关基础理论的创新和突破,以及这些基础理论对AI芯片技术发展的指导作用。《AI芯片》的第二篇“最热门的AI芯片”、第四篇“下一代AI芯片”,尤其是第五篇“推动AI芯片发展的新技术”,则专门介绍了AI芯片技术发展的历史轨迹,“旨在带领读者俯瞰AI 这片‘森林’中AI芯片一隅的概貌,以了解AI芯片最新研发情况、技术进展以及新的研究方向。”

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部分人工智能系统能够达到的智力水平类比

作者同时强调,中国要在AI芯片核心关键技术方面迎头赶上,就必须加强上述两个领域的基础研究和应用研究;要做出高性能、高能效并且可以覆盖较大应用范围、解决实际问题的AI芯片,既需要实践中的突破,也需要理论上的创新。作者用新型元件忆阻器的研发过程来佐证自己的观点:从1971年的理论创新,到2008年的实践突破,再到2018年成功用于深度学习AI芯片这个过程说明了理论(尤其是基础理论)指导的重要性,也说明了这些理论研究最后被应用到芯片之前,还需要先在电路、元器件、材料等工程实践领域有所突破。
《AI芯片》覆盖了AI芯片相关技术路线、理论基础和产业实践诸多方面,彰显了AI芯片技术发展离不开持之以恒攻关和接续竞争合作。被尊称为“忆阻器之父”、美国加州大学伯克利分校的蔡少棠教授这样推荐AI芯片》:“这是一本关于深度学习和神经形态计算等类别AI芯片的及时、全面而富有远见的图书,覆盖理论和硬件等诸多方面。尽管使AI芯片成为可能的革命性前沿进展层出不穷,作者还是成功地以循循善诱的口吻分享了最新进展的精髓,让众多读者能够理解和领会。对于任何有兴趣了解AI芯片如何引领下一次工业革命的人来说,这本书都是必不可少的读物。”确实,在当前多如牛毛的介绍AI芯片的图书中,专门系统介绍AI芯片的还真不多。但你只要阅读《AI芯片》各个篇、章、节清晰、明确、通俗的标题,大致就能把握AI芯片的主要发展脉络
AI芯片是人工智能计算硬件的大脑”,从最初的利用图形处理器作为深度学习加速芯片开始,到当下人们为AI定制的专用芯片,短短的几年时间里,AI芯片就飞速发展成为一个朝阳产业。这其中自然离不开相关领域科研人员久久为功的刻苦攻关。作者在第一篇“导论”中举例指出,要使AI芯片达到更高的智能水平,非常重要的一点就是要使神经网络的运作模式更像人类的大脑。为此,除了大学和研究所外,很多开发AI芯片的公司专门成立了脑神经科学部门(如被谷歌收购的 DeepMind),以便进一步研究人脑的思考过程,建立更科学、更符合生物特性、更细致的神经网络模型。由此可见,谁在这方面的理论攻关有了新的突破,谁就能在AI芯片技术上取得重大的创新,继而把握先机,取得更加领先的地位。
AI芯片的发展历史是一部接续竞争合作的历史。虽然AI芯片出现的历史并不是很长,但对深度学习意义重大的“反向传播”算法早在1986年就被杰弗里·辛顿等人发明并用于改善神经网络性能,最近10年里,研究者更是把这些智能算法从实验室的试验推向了市场的产业发展。当前,“AI芯片领域不光是半导体芯片公司竞争的舞台,连互联网公司、云计算公司都纷纷发布推出芯片的计划”,更多国际研究项目的涌现更是彰显了合作在促进AI芯片技术发展中的重要作用。
当然,和其他芯片技术一样,AI芯片同样占据着各国高新技术的制高点,竞争成为必然,合作则有限制,尤其是相互处于对抗状态时,更是具有“卡脖子”效应。20208月,国务院印发《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》,对促进国产芯片行业发展、摆脱受制于人局面无疑十分利好。正是意识到了中国等欠发达国家的奋起直追,美国国会众议院2022728日也正式通过了《芯片与科学法案》,强调在国际冲突尤其是美国实力走弱的背景下,芯片等涉半导体的产业布局不能再以商业自由主义运行,而是必须深刻地融入国家竞争和安全战略进程中。
《AI芯片》提供了下一代AI芯片技术发展路线图,引领读者走进一个异彩纷呈的新世界,昭示了AI芯片技术发展离不开学科交叉融合与科技伦理约束。AI芯片》的作者预测,下一代AI芯片将与量子物理、脑科学和光学等学科密不可分,超低功耗、自供电等技术将成为AI芯片发展的重要支撑技术。为此,本书给出了AI芯片的技术发展路线图,对AI芯片领域的研究现状、产业发展和未来展望进行了精要的介绍、点评和前瞻,给广大读者呈现了一个异彩纷呈的新世界。作者同时试着回答了“在更远的将来,哪些基础方面的研究将影响和重塑AI芯片领域?”“如何在AI芯片上体现AI的智能程度向生物大脑的靠拢?”“AI芯片还会有哪些意义重大的发展和应用?”等一系列重大问题。
作为一门方兴未艾的前沿学科,人工智能(AI)涉及数学、物理学、生物学、逻辑学、图像学、信息论、艺术学等众多学科领域,由此昭示了AI芯片技术发展离不开多学科的深度交叉、融合,将会吸引更多领域的科学家和技术专家投身于其中。作者给出了这样一个实例:半导体芯片和生物大脑的构建模块在纳米尺度上是相同的……随着芯片技术的发展,尤其是具有生物相容性的有机材料的应用,仿制人类大脑的可能性正在不断提高。但是,要解决这其中一系列的科学、技术难题挑战,需要来自多个学科的协调研究工作,这种协调不仅包括材料器件、电路、架构和算法等领域,还包括许多创新的计算范式。
在图书的最后,也即第17章“AI芯片的应用和发展前景”中,作者在抒发“AI从辅助人类到代替人类工作直至最后超越人类的过程中,虽然还很漫长,但是,人类创造的高新技术正在大踏步向前迈进”的豪情时,也理性地表达了“在部署此类系统之前,还必须解决与可靠性、安全性、隐私、道德和法规相关的问题”的警醒。
是的,人们通常乐于看到人工智能给人类社会发展带来的正向作用,却容易忽略它的的负面影响:人工智能及其相应的AI芯片技术的滥用,会不会使人类越来越依赖科技,继而沦落为科技的奴隶人的各种能力尤其是独立自主思考的能力,会不会在这种懒惰、依赖逐步退化,继而被更高效更智能的机器取代,以至于在未来的某一天智能机器将受人类的控制人工智能替代人类从事各种繁重、危险的技术工作以及紧张、枯燥的脑力劳动,其广泛应用所带来的大量失业会不会造成社会的动荡和危机?

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20163月,人工智能机器人阿尔法狗”对弈当时世界围棋第一人——韩国的李世石九段,41的总比分轻松获胜;20175月,它30比分碾压式打败当时积分排名世界第一的中国九段棋手柯洁。我当时就想,应用了AI芯片技术的“阿尔法狗”的棋力已超人类职业围棋顶尖水平,当这类机器人被应用于职业围棋比赛,围棋这一极富魅力的古老双人对弈游戏,还有存在的必要吗?
没有在这些重大的科学伦理问题上进行深入探讨,不得不说是《AI芯片》的一大缺憾。有感于斯,特填《浣溪沙》词一首,以表情怀:
科技攻关促变迁,AI芯片竞相研,纷繁人类启新篇。
福祸相生谋远虑,智能滥用惑疑连。且将发展顾周全。

注:本文刊载于2022年第3期《前瞻科技》“书阅科苑”栏目

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