AI芯片的混合精度计算与灵活可扩展

电子发烧友网报道（文/李弯弯）当前，AI技术和应用蓬勃发展，其中离不开AI芯片的支持。AI芯片是一个复杂而多样的领域，根据其设计目标和应用场景的不同，可以采用不同的架构，如GPU、FPGA、ASIC、NPU、DSP等。
 
而无论是哪种架构，如何判断其性能优劣都至关重要，而这就涉及到AI芯片的各项性能指标，如算力、能效、时延等。其中AI芯片的算力精度是衡量其处理数据能力的重要指标之一，它涉及到芯片在执行计算任务时所能达到的精确度和效率。
 
AI芯片的性能指标
 
AI芯片的性能指标是衡量其性能优劣和适用性的关键参数。这些指标通常包括算力、能效、时延、裸片面积、推理精度、吞吐量、可扩展性、灵活性以及热管理等。
 
算力即每秒操作数，是AI芯片性能的基础指标，通常用TOPS（Tera Operations Per Second，即每秒万亿次操作）来表示。算力直接影响芯片处理数据的速度和效率，是评估芯片性能的首要指标。
 
能效是指单位功率下的每秒操作数，常用单位为TOPS/W。它衡量了芯片在提供一定算力时的能耗效率。对于边缘端芯片，低功耗是一个刚需指标。因此，能效是衡量芯片性能时不可或缺的一部分。
 
时延是指芯片处理数据所需的时间，通常与AI神经网络处理的数据大小（包括Batch size）有关。在实时性要求较高的应用场景中，如自动驾驶、智能安防等，低时延是确保系统响应速度和稳定性的关键。
 
裸片面积是指芯片的物理尺寸，对成本有直接影响。裸片面积的大小决定了芯片的生产成本和封装难度，同时也影响了芯片的散热性能和集成度。
 
推理精度体现了AI芯片的输出质量，即芯片在处理AI任务时所得结果的准确性。推理精度是衡量芯片性能优劣的重要指标之一，特别是在对精度要求较高的应用场景中，如医疗诊断、金融风控等。
 
吞吐量是指单位时间内能够处理的数据量。对于视频应用来说，通常用分辨率和FPS（Frames Per Second，即帧率）来表示。吞吐量决定了芯片处理数据的速度和效率，对于需要处理大量数据的应用场景来说至关重要。
 
可扩展性表示是否可以通过扩展处理单元及存储器来提高计算性能。可扩展性决定了芯片在未来升级和扩展时的灵活性和适应性，对于需要长期使用的应用场景来说具有重要意义。
 
灵活性是指芯片对不同应用场景和深度学习模型的适应程度。灵活性高的芯片能够应用于多种不同的AI算法和应用场景，降低了用户的使用门槛和成本。
 
热管理是指芯片在工作时对其产生的热量进行有效控制和管理的能力。随着芯片性能的提升和功耗的增加，热管理变得越来越重要。良好的热管理方案能够确保芯片在长时间高负载工作时的稳定性和可靠性。
 
AI芯片的算力精度
 
算力精度通常指的是AI芯片在进行计算时所能达到的数据精度，它决定了芯片处理结果的准确性和可靠性。在AI领域，算力精度通常与浮点运算（Floating-Point Operations）和整数运算（Integer Operations）相关，其中浮点运算又包括双精度（FP64）、单精度（FP32）、半精度（FP16）和更低精度的数据类型（如BF16、FP8等），再加上整型精度（INT8）。
 
双精度（FP64）：使用64位(8 Bytes)来表示一个浮点数，精度较高，常用于科学计算和对精度要求较高的场景。
 
单精度（FP32）：使用32位(4 Bytes)来表示一个浮点数。精度高，计算量大，能耗较高。精度略逊于FP64，仍然足够用于大多数AI训练任务。
 
半精度（FP16）：使用16位二进制数来表示一个浮点数。精度稍低于FP32，但计算量减少，能耗降低。在深度学习等应用中，FP16精度已经足够满足需求，且能显著提高计算效率。
 
更低精度（如BF16、FP8等）：使用更少的位数（如16位或8位）来表示浮点数。精度进一步降低，但计算量和能耗也相应减少。这些低精度数据类型在特定应用场景下（如边缘计算、嵌入式设备等）具有优势。
 
整型精度（INT8）：是一种低精度、高效率的数值表示方式。在推理阶段，使用它可以显著提高运算速度，降低能耗。
 
AI芯片算力精度的选择取决于具体的应用场景和需求。在科学计算、高精度仿真等需要高精度计算的任务中，通常会选择FP64或者FP32等高精度的数据类型。而在深度学习、图像处理等应用中，由于模型训练和推理过程中存在大量的冗余信息和容错空间，因此可以使用FP16或更低精度的数据类型来降低计算量和能耗。
 
从技术趋势方面来看，随着AI技术的不断发展，越来越多的AI芯片开始支持多种精度的混合计算。这种混合计算模式可以根据任务需求动态调整计算精度和算力资源，以实现更高的计算效率和更低的能耗。
 
同时，为了满足不同应用场景的需求，AI芯片在设计时也更加注重灵活性和可扩展性。例如，一些AI芯片可以通过软件配置来支持不同的精度类型，以适应不同的计算任务。
 
写在最后
 
可见，AI芯片的算力精度对性能有着重要的影响。在选择AI芯片时，需要根据具体的应用场景和需求来选择合适的精度类型，以实现最优的性能和效率。同时，随着技术的不断发展，混合精度计算和灵活可扩展的AI芯片将成为未来的发展趋势。