1971年，第一顆劃時代的大規(guī)模集成電路產(chǎn)品Intel4004出現(xiàn)，它使用MOSFET集成電路技術(shù)，采用10μm工藝，集成了2300個MOSFET。雖然這顆IC僅僅集成了2300個晶體管，但它標志著人類大規(guī)模集成電路時代正式開啟，而且它開辟了一條提升IC性能的路徑——同樣面積下，要提升性能就要集成更多晶體管，要集成更多晶體管只要升級工藝就可以實現(xiàn)。

自此之后，人類一直就享用著IC工藝升級帶來的紅利。根據(jù)Intel的創(chuàng)始人之一戈登·摩爾（GordonMoore）提出的摩爾定律：集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。50 年來，IC工藝在摩爾定律的指導下飛速發(fā)展，我們也一直在享用工藝技術(shù)升級帶來的好處——性能升級，功耗降低，尺寸越來越小。

但是，當工藝scaling到10nm以下時，由于工藝復雜度大幅度提升，摩爾定律已經(jīng)趨緩。2018年11月，AMD CTO發(fā)表言論認為摩爾定律已經(jīng)減緩；6月份美國舉辦的DAC大會上，著名計算機領域?qū)＜?018圖靈獎獲得者David Patterson（開源CPU RISC-V發(fā)明人之一）也明確認為摩爾定律已經(jīng)減緩；而且，英特爾自己的10nm工藝連續(xù)跳票，不能按時交付新工藝芯片。這些言行都說明，依靠半導體工藝升級帶來IC器件性能提升，已經(jīng)不可能再像以前那樣繼續(xù)維持高速提升了，那該如何提升處理器性能？尤其是提升人工智能的處理效率?

架構(gòu)創(chuàng)新是出路，AI時代需要專用處理單元

David Patterson 認為現(xiàn)在是計算機系統(tǒng)架構(gòu)的黃金時代，單靠工藝升級難以實現(xiàn)大的性能突破，未來處理器必須從架構(gòu)上尋求出口。

而根據(jù)業(yè)內(nèi)眾多半導體專家的觀點，異構(gòu)架構(gòu)是未來IC發(fā)展的必由之路。*** 半導體產(chǎn)業(yè)協(xié)會理事長盧超群博士（Nicky Lu）就認為，異構(gòu)集成設計系統(tǒng)架構(gòu)（HIDAS, Heterogeneous Integration Design Architecture System）將大量促進IC創(chuàng)新，要提升IC性能就要集成新的異質(zhì)單元。 同理，對于目前熱門的人工智能處理需求來說，通過工藝升級CPU或者GPU、DSP、FPGA都不是好辦法，更合理的方案是就集成人工智能處理單元。

人工智能到底需要一種什么樣的處理單元？想要尋找答案，我們可以回頭看看GPU的發(fā)展歷程。

1962年，麻省理工學院的博士伊凡?蘇澤蘭發(fā)表的論文以及他的畫板程序奠定了計算機圖形學的基礎。在隨后的近20年里，計算機圖形學在不斷發(fā)展，但是當時的計算機卻沒有配備專門的圖形處理芯片，圖形處理任務都是CPU來完成的。

1999年8月，NVIDIA公司發(fā)布了一款代號為NV10的圖形芯片Geforce 256。Geforce 256是圖形芯片領域開天辟地的產(chǎn)品，因為它是第一款提出GPU概念的產(chǎn)品。Geforce 256所采用的核心技術(shù)有“T&L”硬件、立方環(huán)境材質(zhì)貼圖和頂點混合、紋理壓縮和凹凸映射貼圖、雙重紋理四像素256位渲染引擎等?！癟&L”硬件的出現(xiàn)，讓顯示芯片具備了以前只有高端工作站才有的頂點變換能力，同時期的OpenGL和DirectX 7都提供了硬件頂點變換的編程接口，GPU的概念因此而出現(xiàn)。由此開始，CPU、GPU 才正式確立了各自的屬性和工作內(nèi)容。

從結(jié)構(gòu)上來說，CPU和GPU不同之處體現(xiàn)在他們處理任務的方式不同。CPU由專為串行任務而優(yōu)化的幾個核心組成；GPU則由數(shù)以千計的更小、更高效的核心組成，這些核心專為同時處理多任務而設計。稍微深入一點來講，CPU和GPU的不同，是因為它們的使命不同。CPU需要很強的通用性來處理各種不同的數(shù)據(jù)類型，同時又要邏輯判斷，又會引入大量的分支跳轉(zhuǎn)中斷的處理，這使CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)異常復雜。而GPU需要處理的則是類型高度統(tǒng)一、相互依賴的大規(guī)模數(shù)據(jù)和不需要被打斷的計算環(huán)境。因此，GPU和CPU就呈現(xiàn)出非常不同的架構(gòu)。

從GPU的發(fā)展來看，它的出現(xiàn)在于首先要應對新的處理需求——圖形處理，其次是要以不同于CPU的架構(gòu)來完成處理效率最大化。這兩點對人工智能處理也有借鑒意義：首先，人工智能處理是不同于CPU和GPU的新處理需求；其次，人工智能處理需要新的架構(gòu)，因為無論CPU、GPU還是FPGA都不是最好的架構(gòu)，尤其是在手機領域FPGA更不適合。

我們知道，手機是消費電子中最大的品類，在工藝、封裝、集成、架構(gòu)方面都走在行業(yè)最前沿，它的技術(shù)也在引導著整個半導體行業(yè)的發(fā)展。一方面，手機SoC使用最新的工藝制程；另外一方面，手機也是對功耗、面積特別敏感的產(chǎn)品品類。用CPU，GPU這些面向傳統(tǒng)指令計算、浮點運算的計算單元，去執(zhí)行以張量計算為主的AI運算，效率和能效都不能達到最好，同時隨著傳統(tǒng)半導體工藝制程不斷逼近極限，如果還用摩爾定律的增長紅利去滿足日益提升的AI運算量，代價會越來越高。

另外，AI的框架、算法和網(wǎng)絡模型發(fā)展也非?？欤绻捎肅PU，GPU適配日新月異的AI框架和算子，軟件適配等工作也非常繁多，這不僅為開發(fā)者帶來更高的開發(fā)成本，更同時加大了產(chǎn)品上市的時間成本。如果采用FPGA，雖然人工智能的處理效率會大大提升，但是FPGA的面積和功耗都不適合集成在手機平臺；如果采用DSP，雖然有一定的靈活性，但是效能還不是最大。因此，借鑒GPU的發(fā)展，從最優(yōu)能效角度考慮，手機平臺需要集成專用的NPU，讓專業(yè)的器件干專業(yè)的事情。

專用NPU性能強勁，麒麟芯片引領端側(cè)AI應用潮流

毫無疑問，手機平臺需要專用的NPU。在這方面，華為大膽嘗試，在2017年9月率先推出了集成專用NPU處理單元的麒麟970。麒麟 970采用了創(chuàng)新的HiAI移動計算架構(gòu)，能夠用更少的能耗更快地完成AI計算任務。實際對比顯示：性能上，NPU 是 CPU 的 25 倍，是GPU 的 6.25 倍（25/4）；能效比上，NPU 更是達到了 CPU 的 50 倍，GPU 的 6.25 倍（50/8）。

實測中，麒麟 970 的 NPU 每分鐘可以識別出 2005 張照片，而在沒有NPU的情況下每分鐘只能識別 97 張，優(yōu)勢對比非常明顯。

麒麟970是史上首個在端側(cè)實現(xiàn)人工智能推理應用的手機芯片平臺。筆者在芯片發(fā)布之初就判斷，華為將憑借這個新的計算平臺領先高通的驍龍平臺，并將在人工智能應用方面，幫助華為手機與其他手機拉開至少4個月的領先期。事實果真如此，麒麟970開啟了端側(cè)人工智能應用的新篇章，并助力華為Mate10手機率先實現(xiàn)了拍照場景識別、翻譯等人工智能應用，引領了整個智能手機的AI應用大潮。

2018年9月，華為在2018德國柏林消費電子展（IFA）上正式發(fā)布麒麟980處理器。麒麟980在AI方面有了更大的突破：首度采用了雙核NPU，提供147個算子，人工智能算力大幅度提升；每分鐘識別4500張圖片，識別速度相比上一代提升120%，遠高于業(yè)界同期水平。

麒麟980的發(fā)布，標志著華為在端側(cè)人工智能領域的成熟與進步。獨立的雙核NPU處理單元讓麒麟980在人臉識別、物體識別、物體檢測、圖像分割、智能翻譯等AI場景下應用更流暢。例如華為Mat 20系列可實現(xiàn)多人姿態(tài)實時識別，實時幀率高達30 FPS，無論是表演節(jié)奏感極強的舞蹈，還是在鏡頭前快速跑步，麒麟980都能夠?qū)崟r繪制出人體的關(guān)節(jié)和線條?？梢哉f，麒麟980再次引領了全球端側(cè)AI應用的潮流。

另外，基于獨立的NPU處理單元，華為從麒麟970開始就推出了HUAWEI HiAI。HiAI是面向移動終端的AI能力開放平臺，是專門為了配合NPU進行開發(fā)的第三方開發(fā)者平臺，能夠給開發(fā)者提供AI計算庫以及API，并且能夠便捷地編寫APP上的AI應用。

HUAWEI HiAI能力開放平臺分為三層架構(gòu)，除了我們熟知的HUAWEI HiAI Foundation的運算能力、HUAWEI HiAI Engine端側(cè)應用能力，還有海量的HUAWEI HiAI service服務能力。此外，HiAI能夠讓開發(fā)者快速遷移模型，并且對于普通APP開發(fā)者來說，HiAI會提供已封裝好的語音識別等技術(shù)，開發(fā)者能夠直接應用。

HUAWEI HiAI堪稱是一個開發(fā)人工智能APP的神器，能幫助小白用戶迅速開發(fā)出AI應用，而且能用上麒麟芯片的NPU能力。開發(fā)者可以利用這個開放架構(gòu)開發(fā)新的人工智能應用，并通過華為認證后集成進麒麟平臺。這是超越APP應用的新機制，開放的架構(gòu)讓華為率先擁有了大量編外人工智能開發(fā)者，這也意味著麒麟平臺可以集成大量第三方的人工智能算法和應用。

如今，專用NPU在人工智能領域的應用已成燎原之勢。筆者觀察到，業(yè)界其他芯片廠商也在采用這樣的獨立NPU架構(gòu)，例如蘋果A12、聯(lián)發(fā)科的P系列平臺等。在安防領域，獨立NPU已經(jīng)推動智能安防發(fā)展，一些IP公司也開發(fā)出了專用NPU IP如Imagination的PowerVR 2NX NNA加速器、PowerVR 3NX NNA等。反之，某些沒有集成獨立NPU的芯片平臺，依舊在通過CPUGPU和DSP進行人工智能運算，不但增加了功耗，影響其他運算任務的處理，還加大了第三方人工智能算法和應用接入的難度。

目前，人工智能已成人類的一項通用技術(shù)。人類會用AI技術(shù)和理念去解決現(xiàn)在和未來的問題， AI也必將會與更多產(chǎn)業(yè)應用結(jié)合，從而改變所有行業(yè)，更將改變每個組織。人工智能在語音識別、圖像識別、工業(yè)、汽車自動駕駛、農(nóng)業(yè)、AR、VR等領域的應用潛力無限，而華為麒麟系列芯片在端側(cè)人工智能領域的探索處于全球領先，華為手機卓越的人工智能應用體驗也應證了專用NPU架構(gòu)的選擇是非常明智和正確的，期待華為在這個領域的探索更深入，帶給我們更多驚喜。