本土NPU IP再升级！高达320TOPS算力，引领边缘计算与汽车浪潮

2023年3月28日，安谋科技（中国）有限公司正式发布自研新一代人工智能处理器“周易”X2 NPU。周易NPU是安谋的一个IP系列，此前发布的“周易”X1 NPU产品主要是基于的V1、V2架构，更多是用在AIoT领域，此次发布的“周易”X2 NPU是安谋科技第一款基于V3架构的NPU，算力有大幅提升，能够支持int4/int8/int12/int16/int32，fp16/bf16/fp32多精度融合计算，计算效率与计算密度也得到了显著提升。还针对车载、边缘计算等应用场景进行了专门优化，为新兴领域不断迭代的计算需求提供更为完善的解决方案。
 

“周易”X2 NPU性能全面升级

“周易”X2 NPU作为新一代人工智能处理器，采用第三代“周易”架构，支持多核Cluster，最高可达320TOPS子系统。

安谋科技产品总监杨磊介绍，相比于“周易”X1和“周易”Z系列都是单核NPU的解决方案，“周易”X2有一个集群（Cluster）的概念，拥有多个NPU的核，算力得到成倍的提升。Cluster内部有总线的互联，用于数据的沟通和维护，也有内部的存储系统，协调不同核间的数据通信。同时还支持多个Cluster，整个算力可以成倍提升。通过多核构成Cluster，多个Cluster构成一个子系统的方案来完成大算力的产品形态的交付。
 

“周易”X2 NPU主要功能升级

 
杨磊进一步分析，这里面有一个很核心的功能，就是任务调度器Task Scheduling Manager，简称为TSM，它可以同时调度多个Cluster的多个核心。举例来说，当车有10个摄像头，有10路数据进来，可以每一路都跑一个检测的算法，它可以当成是10个任务，假设只有4个核心，通过调度器发现哪个核是空闲的，就可以把任务立刻调度给那个核心做计算，因此它完全是动态、实时的调度的解决方案。实时的硬件任务管理使得“周易”X2 NPU可实现最高千万次/秒的任务调度，将各个计算单元的效能发挥到最佳。

一般来说，数据要从片外的存储设备中来读取，这个传输通道在物理上有限制，其次通道速度越快整个方案的成本也会越高，而i-Tiling的技术方案节省带宽需求，进一步提升计算效率，从而大幅降低系统的成本。同时，还增加了无损权重压缩技术，进一步节省带宽。以汽车应用上处理一个4K分辨率的单路图像为例，去噪声计算需要40GB带宽，基于i-Tiling技术，能够大幅压缩带宽。它是把一个很大的图片拆成若干个小块，这样每一个tile就变得很小，而memory缓存在芯片内部，不需要把数据放到外部设备做读写操作，从而节省对外部带宽的需求。
 
此前，“周易”Z系列，包括“周易”X1的处理都是基于定点的方案，也就是int8整型方案来做的NPU，它的好处是兼顾了计算性能和密度和芯片成本。在汽车领域对于计算的精度要求更高，“周易”X2 NPU支持混合精度计算，支持int4/int8/int12/int16/int32，fp16/bf16/fp32多精度融合计算，既可以是定点的计算、整型的数据计算，也支持浮点的16bit或者是32bit的计算，计算效率与计算密度得到显著提升。
“周易”X2 NPU优化了Transformer性能。如今汽车领域大量地采用Transformer结构，Transformer是一个在汽车领域很常见的AI模型，有基于图像、基于分割检测的模型。
 
此外，在低功耗领域做了很多的技术升级，在7nm工艺节点上做到10TOP/W的能效。面向手机、平板电脑、PC等市场可以提供30T算力，这个算力基本上可以对标现在业界旗舰手机的NPU的解决方案。针对手持设备做了专门的优化，比如说拍照的AI去噪声，视频超分辨率、插帧等。总之整个“周易”X2产品有大量的技术升级，满足面向汽车以及手持设备的产品的需求。
 
在灵活性方面，“周易”X2 NPU在支持自定义算子、满足各种模型部署需求的基础上，还面向各类应用场景提供定制化AI解决方案，以进一步满足客户在智能驾驶、手机影像AI处理、人机交互等场景中的差异化需求。
为帮助开发者更方便、快速地进行算法移植和调试，“周易”X2 NPU还提供了一套完善的人工智能软件平台，可以更好地满足开发者对性能调优、系统部署的需求。目前，“周易”X2 NPU已面向客户正式交付，并且今年会有多款搭载“周易”X2 NPU的芯片产品面世。

V3架构突破，与完整的“周易” Compass软件平台

 
安谋科技NPU研发高级总监孙锦鸿Ryan解析，在“周易”X2 NPU中，一个核分成两个大的计算部件，一个是可编程的、灵活的单元，采用VLIW结构，它是通用向量处理单元。另外，我们还专门为Tensor处理做了不同种类算子加速单元，跟灵活单元有机结合成为一个可扩展性的核结构。扩展性层面，在一个Cluster里扩展，通过高带宽的内部NoC，以及一些Debug单元、电源管理单元、内部memory构成一个计算Cluster，再通过Task Scheduling Manager，将计算任务调度到合适的核，或者合适的Cluster里。“周易”架构能做到高效能AI固定运算和灵活编程要求的有效平衡。
 

 
孙锦鸿表示，对比起“周易”v1、v2架构，v3架构更强调并行性和可扩展性。整个“周易”NPU的设计核心思想在指令、数据处理单元的同构计算里做到了最大并行。在整个v3架构的指令集中，安谋科技定义了超过1000个专门针对不同场景的指令，这些指令也是基于VLIW结构，由长指令和短指令构成，并且可以支持64bit和128bit的指令包，做到统一的指令集组合。
 

 
孙锦鸿分析，在运算单元里，需要很多AI固定功能的加速，我们提供了高效的4K MAC矩阵，适用于CNN、RNN、Transformer等结构。其次提供了很多可重置的结构单元，以适配很多新算子，因为很多AI功能背后的模型或算子更新是日新月异，这些可重置的结构单元就给我们的NPU提供了很多的可扩展性和适应性。
灵活单元层面，我们就做了很多针对AI标量、矢量的指令，这些指令都可以通过OpenCL实现很好的编程体验。每个基础单元可以做到1024bit/cycle的数据处理，它的数据带宽可以根据1024bit做到较为有效的拓展。也加入支持矩阵浮点运算。
 
“周易”NPU不仅提供硬件NPU IP，还提供一整套完整的“周易” Compass软件平台，这个平台中包括模型编译器、调试器，不仅可以分析和判断运行中是否有一些异常和错误，还可以调试性能。
 

 
孙锦鸿表示，基于V3架构，安谋科技开发了很多底层软件、中间部件，包括runtime、IDE、simulator等等都整合到“周易” Compass软件平台里。也开发了很多高效能的NN算子，供客户直接调用。还开发了专门的NN compiler，整合i-Tiling的技术。此外，提供一个友好的OpenCL的Compiler，通过单次编程就可以把这么多运算单元整合起来。在顶层上，我们也有统一的Parser对接到各种神经网络框架。此外，还有一个核心部件是量化部件，可以把各种浮点的原始模型量化到合适精度，给NPU最高效的运行。我们也定义了一套名为Compass IR的公开标准接口，将IR直接对接到上层神经网络或底层硬件。并且这一部分设计已经实现了开源。
 
 
“周易” Compass软件平台现在已经支持了上百种AI算子或者是AI层，支持上百种AI模型，希望通过这样一套“周易” Compass软件平台来支持全部的软件模型，因为整个“周易”NPU具有完全可编程性，客户可以开发新的算子。“尤其是在汽车领域，无论是模型、数据，对客户来讲都是核心资产，它的算法中就采用了很多自定义算子，也就是非标准算子，这些算子都能体现出车厂、自动驾驶厂商的特有技术或方案。这种情况下，我们就可以支持这些客户进行自定义算子的部署。”孙锦鸿说道。
 
 
同时，“周易” Compass软件平台不单可以把NPU的性能充分发挥出来，还结合通用的Arm CPU处理器，GPU IP单元，以及ISP、VPU、SPU等提供一套完整的异构计算解决方案。目前支持TVM以及Arm NN两套异构计算平台，能够将SoC芯片中的CPU、GPU、NPU IP的性能协同发挥出来。
 

解决NPU碎片化问题，“周易”NPU软件开源计划

 
从AI训练和推理的生态来看，“周易”NPU主要做推理，没有涉足训练的部分。安谋科技产品总监杨磊分享了一个数据，安谋科技统计了过去一年里国内的60个用到NPU的芯片项目。发现其中大概55%的项目用的都是自研NPU，但是每一家都不一样。剩下的部分主要是基于IP的解决方案，过去1年大概有8个项目用了安谋科技“周易”NPU的方案，虽然“周易”NPU占的比例从整个饼图来看不高，但在IP领域仍然是最多的。这就说明整个硬件的平台是极其碎片化的。
 

 
硬件碎片化所带来的弊端就是每一家硬件都有自己的软件工具链，对应的可能就有40种工具链。这对应用开发来讲是极其复杂或者是痛苦的。怎样能在推理侧使生态更加友好，尤其是对于软件开发者、应用开发者更加友好，可以让他们更加方便、快捷地做应用的开发和部署，是安谋科技一直在深入思考的问题。
 
随着“周易”X2 NPU的推出，安谋科技正式发布“周易”NPU软件开源计划，并更新了生态伙伴计划的最新进展。作为立足全球生态、深耕本土创新的重要举措，安谋科技一方面通过开放源码的形式，携手更多开发者以及合作伙伴共建国内NPU产业生态；另一方面，通过战略合作、产品技术支持、项目协作等形式与合作伙伴共建上下游产业生态，共同推动各领域软硬件、工具链、行业标准以及社区联盟等生态环节的发展。
 
在“周易”NPU软件开源计划下，安谋科技已率先对外开放NPU中间表示层规范、模型解析器、模型优化器、驱动等，并向相关合作伙伴提供“周易” Compass软件平台，包括软件模拟器、调试器、C编译器等在内的多种软件工具。在满足合作伙伴更自主、更灵活的算法移植需求的同时，进一步提升了软件开发效率，避免重复造轮。据悉，上述只是“周易”NPU软件开源计划的第一步，安谋科技后续还将逐步开放更多资源，如模型量化、算子实现等源代码。
 

“周易”NPU软件部署

 
截至目前，凭借完整的工具链及技术服务，“周易”NPU软件开源计划已经有第一批合作伙伴率先加入，其中不乏来自AIoT、智能汽车、智能操作系统等领域的明星企业。
 
小结：
 
安谋科技一直积极推进自研IP的研发。安谋科技执行副总裁、产品研发负责人刘澍 William Liu表示，以NPU研发团队来看，经过5年的努力从零开始建立，目前在北京、上海、深圳吸引和培养众多工程师，整个团队拥有超过130位工程师从事开发包含硬件和软件的NPU全栈研发。我们可以看到，如今安谋科技已经做了多款NPU产品，已发展到第三代架构，此次大算力“周易”X2 NPU的推出可谓恰逢其时，赶上AIoT、智能终端和汽车大发展的浪潮。