算力是GPU百倍 IBM研發(fā)基于PCM的AI芯片

用 GPU 運(yùn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法近年來已經(jīng)為人工智能領(lǐng)域帶來了驚人的發(fā)展，然而兩者的組合其實(shí)并不完美。IBM 研究人員希望專門為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)一種新芯片，使前者運(yùn)行能夠更快、更有效。

直到本世紀(jì)初，研究人員才發(fā)現(xiàn)為電子游戲設(shè)計(jì)的圖形處理單元 ( GPU ) 可以被用作硬件加速器，以運(yùn)行更大的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

因?yàn)檫@些芯片可以執(zhí)行大量并行運(yùn)算，而無需像傳統(tǒng)的 CPU 那樣按順序執(zhí)行。這對(duì)于同時(shí)計(jì)算數(shù)百個(gè)神經(jīng)元的權(quán)重來說特別有用，而今的深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)則正是由大量神經(jīng)元構(gòu)成的。

雖然 GPU 的引入已經(jīng)讓人工智能領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了飛速發(fā)展，但這些芯片仍要將處理和存儲(chǔ)分開，這意味著在兩者之間傳遞數(shù)據(jù)需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力。這促使人們開始研究新的存儲(chǔ)技術(shù)，這種新技術(shù)可以在同一位置存儲(chǔ)和處理這些權(quán)重?cái)?shù)據(jù)，從而提高速度和能效。

這種新型存儲(chǔ)設(shè)備通過調(diào)整其電阻水平來以模擬形式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，即以連續(xù)規(guī)模存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，而不是以數(shù)字存儲(chǔ)器的二進(jìn)制 1 和 0。而且因?yàn)樾畔⒋鎯?chǔ)在存儲(chǔ)單元的電導(dǎo)中，所以可以通過簡(jiǎn)單地讓電壓通過所有存儲(chǔ)單元并讓系統(tǒng)通過物理方法來執(zhí)行計(jì)算。

但這些設(shè)備中固有的物理缺陷會(huì)導(dǎo)致行為的不一致，這意味著目前使用這種方式來訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的分類精確度明顯低于使用 GPU 進(jìn)行計(jì)算。

負(fù)責(zé)該項(xiàng)目的 IBM Research 博士后研究員 Stefano Ambrogio 在此前接受 Singularity Hub 采訪時(shí)說：“我們可以在一個(gè)比 GPU 更快的系統(tǒng)上進(jìn)行訓(xùn)練，但如果訓(xùn)練操作不夠精確，那就沒用。目前為止，還沒有證據(jù)表明使用這些新型設(shè)備和使用 GPU 一樣精確。”

但隨著研究的進(jìn)展，新技術(shù)展現(xiàn)了實(shí)力。在上周發(fā)表在《自然》雜志上的一篇論文中(Equivalent-accuracy accelerated neural-network training using analogue memory)，Ambrogio 和他的同事們描述了如何利用全新的模擬存儲(chǔ)器和更傳統(tǒng)的電子組件組合來制造一個(gè)芯片，該芯片在運(yùn)行速度更快、能耗更少的情況下與 GPU 的精確度相匹配。

這些新的存儲(chǔ)技術(shù)難以訓(xùn)練深層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的原因是，這個(gè)過程需要對(duì)每個(gè)神經(jīng)元的權(quán)重進(jìn)行上下數(shù)千次的刺激，直到網(wǎng)絡(luò)完全對(duì)齊。Ambrogio 說，改變這些設(shè)備的電阻需要重新配置它們的原子結(jié)構(gòu)，而這個(gè)過程每次都不相同。刺激的力度也并不總是完全相同，這導(dǎo)致神經(jīng)元權(quán)重不精確的調(diào)節(jié)。

研究人員創(chuàng)造了“突觸單元”來解決這個(gè)問題，每個(gè)單元都對(duì)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中的單個(gè)神經(jīng)元，既有長(zhǎng)期記憶，也有短期記憶。每個(gè)單元由一對(duì)相變存儲(chǔ)器 ( PCM ) 單元和三個(gè)晶體管和一個(gè)電容器的組合構(gòu)成，相變存儲(chǔ)器單元將重量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在其電阻中，電容器將重量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為電荷。

PCM 是一種“非易失性存儲(chǔ)器”，意味著即使沒有外部電源，它也保留存儲(chǔ)的信息，而電容器是“易失性的”，因此只能保持其電荷幾毫秒。但電容器沒有 PCM 器件的可變性，因此可以快速準(zhǔn)確地編程。

當(dāng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過圖片訓(xùn)練后可以進(jìn)行分類任務(wù)時(shí)，只有電容器權(quán)重被更新了。在觀察了數(shù)千張圖片之后，權(quán)重會(huì)被傳輸?shù)?PCM 單元以長(zhǎng)期存儲(chǔ)。

PCM 的可變性意味著權(quán)重?cái)?shù)據(jù)的傳遞可能仍然會(huì)存在錯(cuò)誤，但因?yàn)閱卧皇桥紶柛?，因此在不增加太多?fù)雜性的情況下系統(tǒng)可以再次檢查導(dǎo)率。“如果直接在 PCM 單元上進(jìn)行訓(xùn)練，就不可行了。”Ambrogio 表示。

為了測(cè)試新設(shè)備，研究人員在一系列流行的圖像識(shí)別基準(zhǔn)中訓(xùn)練了他們的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并實(shí)現(xiàn)了與谷歌的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)框架 TensorFlow 相媲美的精確度。但更重要的是，他們預(yù)測(cè)最終構(gòu)建出的芯片可以達(dá)到 GPU 280 倍的能源效率，并在同樣平方毫米面積上實(shí)現(xiàn) 100 倍的算力。

值得注意的是，研究人員目前還沒有構(gòu)建出完整的芯片。在使用 PCM 單元進(jìn)行測(cè)試時(shí)，其他硬件組件是由計(jì)算機(jī)模擬的。Ambrogio 表示研究人員希望在花費(fèi)大量精力構(gòu)建完整芯片之前檢查方案的可行性。

他們使用了真實(shí)的 PCM 設(shè)備——因?yàn)檫@方面的模擬不甚可靠，而其他組件的模擬技術(shù)已經(jīng)成熟。研究人員對(duì)基于這種設(shè)計(jì)構(gòu)建完整芯片非常有信心。

“它目前只能在全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)上與 GPU 競(jìng)爭(zhēng)，在這種網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)神經(jīng)元都連接到前一層的相應(yīng)神經(jīng)元上，”Ambrogio 表示。“在實(shí)踐中，很多神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并不是全連接的，或者只有部分層是全連接的。”

交叉開關(guān)非易失性存儲(chǔ)器陣列可以通過在數(shù)據(jù)位置執(zhí)行計(jì)算來加速全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練。圖片來源：IBM Research

Ambrogio 認(rèn)為最終的芯片會(huì)被設(shè)計(jì)為與 GPU 協(xié)同工作的形式，以處理全連接層的計(jì)算，同時(shí)執(zhí)行其他任務(wù)。他還認(rèn)為處理全連接層的有效方法可以被擴(kuò)展到其它更廣泛的領(lǐng)域。

這種專用芯片可以讓哪些設(shè)想成為可能?

Ambrogio 表示主要有兩種方向的應(yīng)用：將 AI 引入個(gè)人設(shè)備，以及提高數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行效率。其中后者是科技巨頭關(guān)注的重點(diǎn)——這些公司的服務(wù)器運(yùn)營(yíng)成本一直居高不下。

在個(gè)人設(shè)備中直接實(shí)現(xiàn)人工智能可以免去將數(shù)據(jù)傳向云端造成的隱私性顧慮，但 Ambrogio 認(rèn)為其更具吸引力的優(yōu)勢(shì)在于創(chuàng)造個(gè)性化的 AI。

“在未來，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在你的手機(jī)和自動(dòng)駕駛汽車中也可以持續(xù)地學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，”他說道。“想象一下：你的電話可以和你交談，并且可以識(shí)別你的聲音并進(jìn)行個(gè)性化;或者你的汽車可以根據(jù)你的駕駛習(xí)慣進(jìn)行個(gè)性化調(diào)整。”