圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速芯片進(jìn)入倒計(jì)時(shí)，全球首款商用圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速IP核正式發(fā)布

【2021年01月08日，北京】1月8日，在與中科院計(jì)算所和中科院計(jì)算所南研院的通力合作基礎(chǔ)上，北京中科睿芯科技集團(tuán)有限公司(簡(jiǎn)稱中科睿芯)正式發(fā)布了一款圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速芯片的IP核(即制備芯片的知識(shí)產(chǎn)權(quán)核)，并宣布面向全球開展商用授權(quán)。據(jù)該團(tuán)隊(duì)介紹，目前市場(chǎng)上尚無(wú)任何類似IP核可供授權(quán)。因此，該IP核是全球首款圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速IP核，專注于高效加速圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的推斷階段。

適合圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算力

此款圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速IP核代號(hào)為“GCU Zero”，主要研究人員之一是中科院計(jì)算所特別研究助理嚴(yán)明玉博士，其畢業(yè)于中科院計(jì)算所，曾在美國(guó)加州大學(xué)圣巴巴拉分校 SEAL 實(shí)驗(yàn)室訪學(xué)，主要從事圖計(jì)算和圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速結(jié)構(gòu)研究。嚴(yán)明玉介紹說(shuō)，“Zero”寓意著團(tuán)隊(duì)從0號(hào)“認(rèn)知智能”芯片開始，期望實(shí)現(xiàn)機(jī)器與人類在智能上的“零差距”;“G”和”U”取圖處理單元(Graph Unit)之義，代表滿足圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)特殊算力需求的計(jì)算單元，而“C”則表示計(jì)算單元賦予機(jī)器認(rèn)知智能(Cognitive Intelligence)。

GCU Zero

Homosapiens系列

基于混合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想，GCU Zero分別為圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)主要執(zhí)行階段——圖遍歷階段和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)變換階段設(shè)計(jì)相應(yīng)的加速引擎，并流水兩個(gè)引擎的執(zhí)行。這一設(shè)計(jì)思路可匹配圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)算力的特殊要求，大幅提升圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的執(zhí)行效率。

例如，在為圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)重要分支——圖卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的執(zhí)行進(jìn)行加速的過(guò)程中，GCU Zero可提供低延遲獨(dú)立執(zhí)行模式(低延遲模式)和高并發(fā)融合執(zhí)行模式(高并發(fā)模式)兩個(gè)工作模式，具有“四高三低四少”的優(yōu)點(diǎn)。

“四高”是指高可配性(面向不同應(yīng)用場(chǎng)景配置不同執(zhí)行模式)、高可拓展性(可多個(gè)IP核互聯(lián)執(zhí)行更大規(guī)模的圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))、高并發(fā)(可數(shù)十個(gè)圖節(jié)點(diǎn)處理任務(wù)同時(shí)并發(fā)執(zhí)行)、高能效(比傳統(tǒng)處理器能效更高);“三低”是指在低延遲模式下，用所有資源共同執(zhí)行單個(gè)圖節(jié)點(diǎn)的處理任務(wù)，能實(shí)現(xiàn)低延遲、低開銷、低能耗;“四少”是指在高并發(fā)模式下，多個(gè)圖節(jié)點(diǎn)的處理任務(wù)同時(shí)執(zhí)行，并且兩個(gè)主要的階段可流水，能夠減少中間數(shù)據(jù)的計(jì)算和訪存，從而實(shí)現(xiàn)更少計(jì)算、更少訪存、更少功耗、更少運(yùn)行時(shí)間。

開啟圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速時(shí)代

圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為是推動(dòng)“認(rèn)知智能”發(fā)展強(qiáng)有力的推理方法，有望解決深度學(xué)習(xí)無(wú)法處理的關(guān)系推理、可解釋性等一系列問(wèn)題，讓機(jī)器“能理解、會(huì)思考”。

不過(guò)，盡管目前在國(guó)際學(xué)術(shù)界已有團(tuán)隊(duì)開展了基于圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速的相關(guān)研究，工業(yè)界也有了基于圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的落地應(yīng)用，但目前圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速芯片在國(guó)際上還是一片“無(wú)人區(qū)”。

2020年初，嚴(yán)明玉博士在國(guó)際計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)頂會(huì) HPCA 上發(fā)表了國(guó)際第一個(gè)圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的加速結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)“HyGCN”。嚴(yán)明玉稱，GCN即圖卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (Graph Convolutional Network, GCN為其縮寫)，作為圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最重要的一個(gè)分支，GCN將深度學(xué)習(xí)算法和圖計(jì)算算法相融合，對(duì)搜索、推薦、風(fēng)險(xiǎn)控制在內(nèi)的等諸多重要領(lǐng)域有著更優(yōu)的認(rèn)知與問(wèn)題處理等能力;HyGCN寓意向圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的加速說(shuō)“Hi”，寓意圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速的時(shí)代即將開啟。

完整芯片進(jìn)入投片倒計(jì)時(shí)

“GCU Zero IP核是我們Homosapiens系列的首個(gè)IP?！眹?yán)明玉博士透露，面向高性能和超高性能的圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練和推斷，Homosapiens系列在今明兩年陸續(xù)還會(huì)有新產(chǎn)品發(fā)布。

Homosapiens取自生物學(xué)上的“智人”，得益于高度發(fā)展的大腦帶來(lái)的推理與語(yǔ)言能力，智人最終在殘酷的生存競(jìng)爭(zhēng)中成為萬(wàn)物之靈。將圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系列芯片命名為Homosapiens，表明了研究團(tuán)隊(duì)將“認(rèn)知智能”賦予機(jī)器的信念和決心。

當(dāng)前，人工智能正從由數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的“感知智能”階段邁入由數(shù)據(jù)與知識(shí)雙驅(qū)動(dòng)的“認(rèn)知智能”階段。在“認(rèn)知智能”階段，機(jī)器被期待獲得基于知識(shí)的邏輯推理能力。而圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用就是關(guān)鍵之匙，其效果也在工業(yè)界已有的落地應(yīng)用中得到了驗(yàn)證。接下來(lái)，人們期待可直接用于圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的加速器件。

嚴(yán)明玉介紹，GCU Zero IP核在基于臺(tái)積電先進(jìn)的12 nm制程工藝下，運(yùn)行頻率可達(dá)1.2 GHz。在Reddit 數(shù)據(jù)集和GraphSage圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型下，GCU Zero IP基于64 GB/s的片外存儲(chǔ)帶寬，在10毫秒內(nèi)完成的圖節(jié)點(diǎn)處理任務(wù)數(shù)是英偉達(dá)最先進(jìn)人工智能推理GPU TESLA T4的兩倍以上。他進(jìn)一步透露，基于GCU Zero，該研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了完整的芯片并計(jì)劃投片，將在今年第二季度搭載在中科睿芯“金剛”高通量計(jì)算機(jī)上。