人工智能的又一個微小進步

人工智能時代是信息化時代的延續(xù)和新生，今天在這個領(lǐng)域的每個微小的進步都會累積起來，直到再為我們推開一扇偉大時代的大門。

人類在出生時近1000億個大腦神經(jīng)元就已經(jīng)產(chǎn)生和分化好，并且處在它們該存在的位置，等著建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。這時候的神經(jīng)元還沒有多少觸突，相互之間也沒有多少鏈接，新生兒的神經(jīng)觸突數(shù)不到成年人的三分之一。在嬰幼兒的成長發(fā)育過程中，神經(jīng)元迅速伸出觸突，彼此建立起非常復(fù)雜的鏈接，相連的神經(jīng)元可以傳遞電和化學信號，接近三歲的時候，觸突的數(shù)量達到頂峰，此時的數(shù)量是成人的二倍，這段時間也正是人類學習和認知最快的時期，我們基本的生存技能，比如語言、圖像識別和分類、運動都要在這個時候建立起來。此后的時間里，大腦不斷優(yōu)化和修剪神經(jīng)元的鏈接，讓信息的處理更加高效。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建立過程中，鏈接的建立是隨機的，但是修剪不是隨機的，大腦不斷根據(jù)外界信息和反饋來完成。最終形成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜且能高效處理數(shù)據(jù)，即便是相同環(huán)境里成長起來的同卵雙胞胎也會有完全不同的兩個大腦。

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模仿生物神經(jīng)系統(tǒng)建立的神經(jīng)計算網(wǎng)絡(luò)，基本原理就是一層一層處理和過濾信息，每一層的基本運算都很簡單，無非是用加法和乘法來完成矩陣運算，但是運算中的各種參數(shù)因子是個未知數(shù)，只能讓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過大量的數(shù)據(jù)來自己學習，這個學習的過程和孩子學習識圖是一樣的，大量各種形態(tài)的圖像數(shù)據(jù)輸入，對最終輸出做出糾正，一旦發(fā)現(xiàn)輸出錯誤就回退嘗試新的參數(shù)設(shè)定，直到找到復(fù)合要求的輸出。所以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)只關(guān)注于問題「可解」，并不強調(diào)「最優(yōu)解」，每次解決和處理問題，都可以進一步優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，讓網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)更復(fù)雜的數(shù)據(jù)輸入。

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一直到2016年，GoogleDeepmind團隊的AlphaGo戰(zhàn)勝了職業(yè)九段李世石，才在世界范圍內(nèi)掀起了對人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)注。這是一場徹底的勝利，AlphaGo的研發(fā)者并不懂圍棋，打開AlphaGo程序也沒人讀得懂里面天書一樣的各種參數(shù)，AlphaGo完全是靠自己學習圍棋來達到了戰(zhàn)勝人類的能力。最初的AlphaGo以CPU+GPU為運算單元，隨著運算量的增加，GPU畢竟不是專為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算而設(shè)計，Google為了提升效率而自行設(shè)計了計算單元TPU。TPU是專為深度學習框架TensorFlow而定制的，改用TPU的AlphaGo提升更快，僅靠單機4個TPU就在隨后的比賽里碾壓了所有人類頂級棋手。華為Mate10 ?運算單元NPU#e#

如果你手上有華為的Mate10或Mate10Pro，你可以試試看打開照相機，如果你把相機對準一個人，那么預(yù)覽畫面的左下角就會出現(xiàn)一個「人」的小圖標；如果你對準植物，就會出現(xiàn)一個植物的小圖標。這是因為華為這一代的手機芯片麒麟970已經(jīng)內(nèi)置了人工智能的運算單元NPU，讓手機有了對圖像場景的識別能力。手機上的NPU和Google的TPU在原理上是類似的，但是更強調(diào)功耗控制。華為的工程師在實驗室里使用機器學習訓(xùn)練電腦識別圖形圖像，然后把訓(xùn)練好的參數(shù)灌入手機系統(tǒng)，當手機打開照相機時，照相系統(tǒng)就會實時調(diào)用NPU來分析圖像場景。如果沒有NPU參與，僅靠手機的CPU或GPU，這個過程的耗時是無法忍受的，借助這個專為卷積算法而設(shè)計的NPU，Mate10系列手機可以近乎于實時地感知到當前拍照的場景，以便對拍照進行優(yōu)化。Mate10現(xiàn)在已經(jīng)可以認識十多個場景，比如拍人、拍藍天、拍植物、拍食物……新的智能識別功能還可以在今后的軟件升級中加入。

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Mate10是第一次把人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算引入手機，目前能夠?qū)崿F(xiàn)的功能還主要集中在圖像識別和處理上，相對于對人工智能的巨大想象空間，目前的這一步無比微小。如果把2016年AlphaGo的勝利算作人工智能紀元的元年，麒麟970帶給Mate10的這一步只是在手機這種便攜式設(shè)備上的第一次實用性的嘗試，未來可以承載的想象空間無比巨大。1969年阿姆斯特朗在月球的表面留下了人類的第一個清晰的腳步，也正是在那一年，機器學習的構(gòu)思在人類的頭腦中初步成型。月球上的一小步看起來是那么不起眼，但為了實現(xiàn)這一步，從1961年5月25日啟動阿波羅計劃到1972年12月計劃結(jié)束，除美國航空航天宇航中心外，一共有120所高等學校、20000家工廠、400萬人投入到這個行動中，累積花費250億美元，考慮通貨膨脹，這筆投入在今天超過千億美元。但是這些投入不是白白花掉的，阿波羅計劃結(jié)束，為這項計劃而誕生的各項發(fā)明和技術(shù)推開了人類信息時代的大門。人工智能時代是信息化時代的延續(xù)和新生，今天在這個領(lǐng)域的每個微小的進步都會累積起來，直到再為我們推開一扇偉大時代的大門。

作為一款為手機設(shè)計的系統(tǒng)級芯片（SystemOnChip，即SoC），麒麟970自然包含了常規(guī)的手機SoC該有的部件，比如CPU、GPU、ISP、DSP、通訊基帶，但和同類產(chǎn)品相比，麒麟970又多了一個所有同類產(chǎn)品都沒有的東西——一顆為人工智能運算專門設(shè)計的NPU。

下面我們就SoC的各個部件出發(fā)，全面地了解一下麒麟970。

CPU、GPU：重點是降功耗

CPU方面，麒麟970的參數(shù)相比麒麟960基本沒有任何變化，依然是8顆核心，其中4顆為高性能的ARM公版A73架構(gòu)，最高主頻2.4GHz（麒麟960是2.36GHz），4顆位低功耗的ARM公版A53架構(gòu)，最高主頻1.8GHz（麒麟960是1.84GHz）。有些遺憾的是，麒麟970并沒有用上ARM在今年5月發(fā)布的新一代Cortex-A75、Cortex-A55架構(gòu)以及為AI相關(guān)運算優(yōu)化的DynamiIQ設(shè)計（麒麟970選擇了另一種方法來提高AI運算）。當然了，考慮到A75和A55的發(fā)布時間、設(shè)計的復(fù)雜程度，麒麟970沒用上也是可以理解的。

華為表示，表示麒麟970的能耗比提升了20%（主要得益于全新的10納米制程），至于實際的性能表現(xiàn)，不出意外的話，麒麟970應(yīng)該和麒麟960處于同一段位，不會有非常明顯的提升。當然，橫向來看的話，麒麟970的CPU性能沒提升其實不是什么大問題。從GeekBench4等跑分軟件的得分上看，麒麟960的分數(shù)和高通驍龍835、三星Exynos8895基本處于同一水準，明顯強于聯(lián)發(fā)科HelioX30。因此，即使麒麟970的CPU性能不變，也依然是Android陣營里移動SoC的頂級水準，只是不再像麒麟960發(fā)布時那么領(lǐng)先。

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相比起CPU上的保守，麒麟970在GPU上的「誠意」要顯得更足一些。

首先，麒麟970則用上了ARM在今年5月剛剛發(fā)布的Mali-G72架構(gòu)，理論性能相比麒麟960上的Mali-G71有所提升（ARM的官方說法是相比G71性能提高20%，功耗比提升25%）。此外，在核心數(shù)上，麒麟970的GPU也從麒麟960的8核增加到了12核。

華為表示，相比起麒麟960，麒麟970的性能有20%的提升，并且能效比提升了50%。照理說，由于麒麟970的GPU核心架構(gòu)比麒麟960更先進，核心數(shù)還多了50%，并且制程更先進，GPU性能提升的幅度應(yīng)該遠不止20%。之所以出現(xiàn)這種情況，很可能是華為將麒麟970的GPU主頻壓得比較低，從而更好地降低功耗（于是就有了提升幅度高達50%的能效比）。

實際的表現(xiàn)也印證了我們的猜測，根據(jù)現(xiàn)場的介紹，麒麟970的Mali-G72最高主頻為700MHz，相比麒麟960的900MHz（部分場景下會飆到1000MHz左右）有明顯的下降，這種「多核+低頻」的策略讓麒麟970在性能有一定提升的同時，功耗得以大幅度降低。

通訊基帶：比「千兆LTE」更快

作為一家通訊行業(yè)有著多年積累的公司，華為海思在通訊基帶上有著深厚的「家底」，特別是去年的麒麟960，直接在SoC中集成了支持LTECat.12/13的Balong750基帶（最大下行速度600Mbps，上行150Mbps），并且支持CDMA網(wǎng)絡(luò)，絲毫不遜色同期的高通驍龍820、821。

在麒麟970上，華為海思更進一步，直接大跨步到了下行LTECat.18（上行最高Cat.13），最高下載速度飆到了1.2Gbps，也就是比之前業(yè)界最快、驍龍835和Exynos8895「千兆LTE」還要再快上200Mbps。

麒麟970還終于支持了在同時使用兩張SIM卡時，主副卡同時用4G（上一代麒麟960的副卡只能支持3G），任意一張卡都可以使用VoLTE通話。此外，麒麟970還特別針對高鐵時的使用做了優(yōu)化，信號更穩(wěn)定，減少掉線。

不過話還是要說回來，雖然麒麟970的通訊基帶的確是厲害，但和驍龍835、Exynos8895等支持千兆LTE的SoC一樣，普通用戶想要真正體驗到這種超高速LTE網(wǎng)絡(luò)，還得過上相當一段時間。

ISP、DSP、Codec、協(xié)處理器

ISP的全稱是ImageSignalProcessor（圖像信號處理器），主要功能是處理相機傳感器中收集到的數(shù)據(jù)。

麒麟970的ISP主要是一些「常規(guī)升級」，依然是雙核設(shè)計，擁有更快的速度，更快地對焦，更優(yōu)秀的降噪效果，并且對運動圖像的捕捉做了優(yōu)化。另外，針對目前很火的人像拍攝，麒麟970的ISP進行針對性的優(yōu)化，可以根據(jù)不同膚色、帽子、眼睛、口罩、遮擋、側(cè)臉等多種復(fù)雜的人臉場景進行優(yōu)化，改善了人像的拍照效果。

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在DSP、配套Codec等方面，麒麟970也有所提升，其中配套的音頻Codec可以支持32bit/384k的音頻解碼，過去幾代華為高端機（Mate、P系列）上表現(xiàn)乏善可陳的內(nèi)放音質(zhì)，有望在麒麟970這代產(chǎn)品上獲得明顯的提升，當然前提是Mate10和P11系列還能保留3.5毫米耳機插孔。

另外，麒麟970依然搭載了i7協(xié)處理器（和牙膏廠的i7沒啥關(guān)系），而inSE（integratedsecureelement）和TEE安全引擎，在麒麟970上也都在。

在總線架構(gòu)上，不出意外的話，麒麟970采用的應(yīng)該是和960相同的CCI-550。

10納米制程，比驍龍835還多的55億個晶體管

制程上，不出意外，麒麟970用上了臺積電（TSMC）最新的10納米工藝，這應(yīng)該是繼蘋果A10X、聯(lián)發(fā)科HelioX30之后，第三款采用臺積電10納米制程的移動SoC。

通常來說，在芯片晶體管數(shù)量相同的情況下，更先進的制程可以降低芯片的核心面積，有助于降低成本，并且更加有效地控制發(fā)熱和功耗。根據(jù)華為提供的數(shù)據(jù)，臺積電的10納米制程可以降低20%的能耗，將芯片核心面積縮小40%。

不過有趣的是，麒麟970的核心面積并沒有因為制程的進步而縮小，反而比麒麟960還要略大，這是因為麒麟970集成了高達55億個晶體管，比麒麟960多出了15億。作為對比，蘋果的A11Bionic芯片有43億個晶體管，高通驍龍835有31億個。

需要說明的是，雖然晶體管數(shù)量對性能有一定的影響，并且通常是越多越好，但在內(nèi)部部件眾多的、各家產(chǎn)品架構(gòu)甚至內(nèi)部組件都不太一樣（比如A11Bionic沒有集成通訊基帶和專門的NPU）的移動SoC中，我們是無法簡單地用晶體管數(shù)量來判斷性能的。

NPU：首款內(nèi)置在手機SoC中的人工智能芯片

終于到了麒麟970最特別的部分——NPU。

NPU的全稱是Neural-networkProcessingUnit，也就是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理單元。關(guān)于這顆NPU的功能，大家可以簡單理解為專門高效地進行AI相關(guān)計算定制的處理器，就像GPU之于圖形處理相關(guān)的計算，ISP之于成像相關(guān)的計算。

傳統(tǒng)的CPU（包括x86和ARM）和GPU也是可以用來做深度學習計算的，但由于它們本身并不是專門為深度學習定制的，效率并不高。而麒麟970的這顆NPU采用了來自寒武紀（Cambricon）的IP，專門為深度學習而定制，F(xiàn)P16性能達到了1.92TFLOP，差不多是麒麟960的3倍（0.6TFLOP左右）。

在月初德國柏林的發(fā)布會上，余承東展示了一張在進行AI運算時，NPU和CPU、GPU的對比。

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可以看到，性能上，NPU是CPU的25倍，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）。

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在這個NPU的基礎(chǔ)上，華為打造了HiAI移動計算架構(gòu)，大致的原理是通過一個統(tǒng)一的資源管理器，充分調(diào)用CPU、GPU、ISP、DSP、NPU等部分，app開發(fā)者可以通過使用這個架構(gòu)，提高app中和AI相關(guān)的應(yīng)用的處理效率（官方數(shù)據(jù)是25倍的性能，50倍的能效優(yōu)勢）。

在現(xiàn)場的演示中，華為展示了在進行照片識別時，麒麟970相比其他旗艦機具備明顯的優(yōu)勢。

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根據(jù)華為提供的數(shù)據(jù)，在包括NPU在內(nèi)的HiAI架構(gòu)的加持下，麒麟970每分鐘可以識別約2000張，iPhone8Plus可以識別889張，iPhone7Plus為487張，三星GalaxyS8只有95張（注：測試過程中，iPhone應(yīng)該是調(diào)用了GPU，三星S8應(yīng)該只是在用驍龍835的CPU在跑）。

除了單純在術(shù)層面的「秀肌肉」，發(fā)布會上，華為還展示了麒麟970的AI能力在日常生活中的實際應(yīng)用，具體有下面幾個。

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第一個功能叫做「慧眼」。麒麟970可以脫離網(wǎng)絡(luò)限制，直接在本地對物體進行精確地識別，現(xiàn)場的展示中，華為把葡萄、蘋果等物體擺在搭載麒麟970的原型機之前，手機可以準確地完成識別，并根據(jù)識別結(jié)果計算出對應(yīng)的卡路里。

第二個是AI降噪。大致的原理是通過深度學習算法，從而更有效地過濾周圍環(huán)境的噪音。這個功能最適合的使用場景之一就是在車內(nèi)等嘈雜的環(huán)境中進行語音喚醒，華為表示，搭載麒麟970的手機（應(yīng)該就是Mate10和Mate10Pro了）在車載場景下的語音識別率可以從80%提升到92%。

第三個功能是AI美顏。這個功能和之前美圖在部分手機上的美顏技術(shù)類似，都是自動檢測人臉并根據(jù)機內(nèi)算法進行美顏，不過有了麒麟970相關(guān)的AI優(yōu)化，可以把這個美顏過程做得更加快速和精確。

第四個功能是智能自動回復(fù)及情緒識別。麒麟970能夠?qū)ξ谋镜膬?nèi)容進行提取，并根據(jù)文本內(nèi)容智能地進行回復(fù)和提醒，比如說聊天中輸入文字「今天發(fā)工資了」，手機可以自動聯(lián)想出開心的表情，輸入「敦刻爾克」，手機可以自動推薦附近影院的觀影信息。類似的功能華為在榮耀Magic上就已經(jīng)嘗試過，在麒麟970的硬件平臺下，理論上可以做得更加快速和智能。

親測Mate10手機麒麟970性能：優(yōu)質(zhì)通信表現(xiàn)絕非偶然

Mate10系列手機能得到用戶的好評并不令人意外，實際上在最新發(fā)布的中國移動2017年第二期終端質(zhì)量報告中，華為Mate10Pro就名列3000元以上機型綜合評測排行榜的第一名，把三星Note8和蘋果iPhoneX都丟在了身后，Mate10則名列第四名。這個報告是由中國移動終端終端實驗室完成的，綜合考慮了手機產(chǎn)品的通信能力、多媒體能力、產(chǎn)品可用性、用戶口碑等四大類指標，有很高的參考價值。

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其實與上市時間相近的同檔位產(chǎn)品相比，Mate10系列手機最為獨特的就是內(nèi)置了一顆麒麟970芯片。麒麟970是華為首個人工智能移動計算平臺，也是全球首個搭載專用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理單元的AI手機芯片。這款芯片采用了TSMC10nm制造工藝，支持目前全球最高的通信規(guī)格LTECat.18/Cat.13，峰值下載速率可達1.2Gbps，這在全球也是首屈一指的。在筆者近兩周的觀察中，重點關(guān)注的正是Mate10或者說麒麟970的通信能力表現(xiàn)。

這兩年運營商一直在嘗試把部分5G技術(shù)超前引入現(xiàn)網(wǎng)，將4G網(wǎng)絡(luò)提升為4.5G網(wǎng)絡(luò)，讓用戶獲得更好的體驗。不過要想體驗到其中的好處，還要有相應(yīng)的手機終端來配合。麒麟970芯片是華為頗有前瞻性的一款終端芯片，不僅支持全球最高的通信規(guī)格LTECat.18/Cat.13，還支持多種多樣已經(jīng)商用或即將商用的4.5G技術(shù)。所以Mate10手機用戶完全可以放心，運營商近期做的任何網(wǎng)絡(luò)升級都可以通過Mate10在第一時間體驗到。

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在之前提到的中國移動2017年第二期終端質(zhì)量報告中，還有一個手機芯片的通信能力排行榜?？紤]高清語音通話質(zhì)量和下載速率，Mate10上采用麒麟970芯片綜合排名第一，這些也說明，Mate10用戶對這款手機的良好體驗絕非主觀臆測。

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