在北京市海淀區(qū)一座十余層大廈的一間展廳內(nèi)，一臺(tái)電腦的屏幕上顯示著大廈入口來(lái)往車輛的信息。“如果有違規(guī)情況，攝像頭就能在第一時(shí)間識(shí)別出來(lái)，并將相關(guān)車輛信息實(shí)時(shí)報(bào)告給監(jiān)督者。”張韻東介紹說(shuō)。

賦予攝像頭這一識(shí)別及判斷能力的載體是一塊邊長(zhǎng)約兩厘米的正方形銀色芯片。6月20日，張韻東所在的中星微“數(shù)字多媒體芯片技術(shù)”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室舉行媒體發(fā)布會(huì)稱，其發(fā)明的中國(guó)首款嵌入式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器（NPU）芯片誕生，并已于今年3月6日實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

“原來(lái)的視頻處理芯片相當(dāng)于一只‘眼睛’。”擔(dān)任該國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室執(zhí)行主任的張韻東比喻說(shuō)，而“星光智能一號(hào)”讓“眼睛”具備了人腦的功能，將后臺(tái)的智能判斷提到了前端，可實(shí)時(shí)地識(shí)別更高級(jí)的智慧信息，如身份證號(hào)碼、車牌號(hào)、人員身份。

這款被命名為“星光智能一號(hào)”的芯片，蘊(yùn)含了當(dāng)前計(jì)算機(jī)領(lǐng)域最前沿的生物人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿生學(xué)創(chuàng)新技術(shù)，且對(duì)嚴(yán)重依賴國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品的中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)，也是實(shí)現(xiàn)“彎道超車”的一次踴躍嘗試。

集成“大腦”的“眼睛”

為了了解其對(duì)人臉的識(shí)別能力，一名男記者現(xiàn)場(chǎng)邀請(qǐng)長(zhǎng)相跟他相像的一名工作人員一起“刷臉”。果然，在讀取身份證之后，攝像頭在不到1秒鐘的時(shí)間內(nèi)就判斷出工作人員才是本人。

“星光智能一號(hào)”之所以能“看懂”這些信息，是因?yàn)樗闪艘曨l信號(hào)處理、視頻壓縮編碼模塊以及NPU等系統(tǒng)。尤其是該實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的嵌入式NPU，徹底顛覆了采用傳統(tǒng)馮諾依曼架構(gòu)的CPU（中央處理器），賦予這顆“眼睛”像“大腦”一樣的分析功能。

“當(dāng)前，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）算法已成為智能機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。”該實(shí)驗(yàn)室嵌入式人工智能項(xiàng)目組組長(zhǎng)昝勁文說(shuō)，該算法通過(guò)仿生人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可降低網(wǎng)絡(luò)模型的復(fù)雜程度，在處理海量輸入數(shù)據(jù)、大規(guī)模乘積累加運(yùn)算、稀疏權(quán)值矩陣等方面具有優(yōu)勢(shì)。

然而，傳統(tǒng)CPU程序指令與數(shù)據(jù)共處一個(gè)存儲(chǔ)空間，運(yùn)行CNN算法效率不高。中星微NPU采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)并行計(jì)算架構(gòu)，使計(jì)算機(jī)的能耗比“至少提高了兩三個(gè)數(shù)量級(jí)”，讓人工智能在嵌入式機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用中可以大顯身手。

“馮諾依曼架構(gòu)的編程方式是線性的，而我們的編程方式是二維的。”該實(shí)驗(yàn)室神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器項(xiàng)目組組長(zhǎng)周林均告訴記者。

據(jù)介紹，中星微每個(gè)NPU處理器有4個(gè)內(nèi)核，每個(gè)內(nèi)核有兩個(gè)數(shù)據(jù)流處理器，每個(gè)數(shù)據(jù)流處理器有8個(gè)長(zhǎng)位寬或16個(gè)短位寬的SIMD（單指令多數(shù)據(jù)）運(yùn)算單元。“這樣每個(gè)NPU處理器就包含了128個(gè)并行處理單元，相當(dāng)于高速公路上有128個(gè)車道并行。”張韻東說(shuō)。這使得每個(gè)NPU處理器具有每秒38GOps（標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)字標(biāo)牌接口規(guī)范）的長(zhǎng)位寬處理能力或76GOps的短位寬處理能力。

“彎道超車”在于創(chuàng)新

張韻東向記者透露，“星光智能一號(hào)”已成功在安防視頻監(jiān)控領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，并已銷售數(shù)十萬(wàn)件。該芯片在全球率先實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)應(yīng)用，可謂是中國(guó)企業(yè)實(shí)現(xiàn)對(duì)國(guó)外集成電路產(chǎn)業(yè)“彎道超車”的一次成功嘗試。

當(dāng)前中國(guó)該產(chǎn)業(yè)形勢(shì)相當(dāng)嚴(yán)峻。工信部數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)十余年來(lái)集成電路進(jìn)口額長(zhǎng)期處于各類商品之首，每年達(dá)2000億元左右。這種依賴性隨時(shí)可將中國(guó)通信產(chǎn)業(yè)置于難以預(yù)料的風(fēng)險(xiǎn)之中。例如今年3月7日，中興通訊因被美國(guó)商務(wù)部實(shí)施出口限制措施而停牌。因其對(duì)美國(guó)零部件和軟件供應(yīng)商的依賴，嚴(yán)重?fù)p害了手機(jī)終端和電信設(shè)備業(yè)務(wù)，損失額估計(jì)達(dá)1000億元以上。

當(dāng)前，人工智能已成為下一代信息產(chǎn)業(yè)浪潮的顛覆性技術(shù)，微軟、高通、谷歌以及美國(guó)宇航局支持的KnuEdge等公司紛紛推出自己的NPU。“我們比人家落后太多，現(xiàn)在新的技術(shù)不斷涌現(xiàn)，我們要把握住整個(gè)行業(yè)格局變化重新洗牌的機(jī)會(huì)。”張韻東說(shuō)。

在他看來(lái)，中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)要想實(shí)現(xiàn)趕超，答案就在于自主創(chuàng)新。據(jù)悉，此次推出的“星光智能一號(hào)”現(xiàn)已申請(qǐng)16項(xiàng)專利，未來(lái)可廣泛應(yīng)用于智能駕駛輔助、無(wú)人機(jī)、機(jī)器人等嵌入式機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域。

后摩爾時(shí)代的探索

當(dāng)前，隨著集成電路研發(fā)逐步逼近香農(nóng)定理、摩爾定律的極限，很多業(yè)內(nèi)研究者感到前途茫茫。而中星微NPU或許正是一塊“引玉之磚”。

根據(jù)摩爾定律，集成電路上可容納的元器件數(shù)目約每隔兩年便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍。“然而，現(xiàn)在半導(dǎo)體工藝已經(jīng)逼近量子尺度，摩爾定律的盡頭近在眼前。而傳統(tǒng)CPU受限于散熱問(wèn)題，其時(shí)鐘頻率更早趨于上限。”張韻東說(shuō)。“理論上，極限時(shí)鐘頻率是1000G，但傳統(tǒng)CPU受限于散熱，達(dá)不到10G。”

如此一來(lái)，人們?cè)O(shè)想的高級(jí)智能機(jī)器人還能否實(shí)現(xiàn)呢？張韻東介紹，業(yè)界關(guān)于后摩爾定律時(shí)代提出了兩種不同的觀點(diǎn)：一種是繼續(xù)推進(jìn)摩爾定律，在新型材料、工藝制程和器件結(jié)構(gòu)上努力，將摩爾定律再推進(jìn)一步；另一種是超越摩爾定律，即通過(guò)系統(tǒng)集成單顆芯片或是多芯片堆疊的方式，實(shí)現(xiàn)更多的功能。

張韻東表示，中星微的觀點(diǎn)是走“智能摩爾”的路線，即不否認(rèn)相關(guān)技術(shù)的物理制約，推進(jìn)信息層面的技術(shù)創(chuàng)新。“這一方面還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到極限，如何進(jìn)一步借鑒人類智慧機(jī)理，如何把原始數(shù)據(jù)變成有用的信息，在信息層面還有很多技術(shù)有待創(chuàng)新。”

此次，“星光智能一號(hào)”就采用了先進(jìn)的過(guò)億門(mén)級(jí)集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)及超亞微米芯片制造工藝。未來(lái)，該實(shí)驗(yàn)室將采用更加接近生物人腦的工作機(jī)理方式，推出更低功耗、更高運(yùn)算新能的下一代NPU。“人腦的奧秘現(xiàn)在還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有被了解。”張韻東說(shuō)，“研究新型的計(jì)算架構(gòu)，提升信息處理的性能功耗比，這可能是下一次信息革命的關(guān)鍵點(diǎn)。”

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