人工智能越来越聪明，但它的“体能”能跟上“脑力”吗？
原文以Does AI have a hardware problem?为标题
发布在2018年4月17日的《自然-电子学》社论上
随着深度神经网络的持续改进和成长，面对日益增长的计算需求，相应的硬件创新也迫在眉睫。
深度学习是人工智能（AI）近期发展的前沿阵地。它涉及到灵感来源于生物神经网络的一系列机器学习算法，可用于在巨量数据中寻找某些模式。通过这些深度神经网络，诸如语音和视觉识别等领域得到了大幅发展；以它们为基础的计算机程序在一些特定任务中展示了超越人类的能力。
相变存储器的二维阵列。
来源：IBM研究院
这一点在AlphaGo身上得到了淋漓尽致的展示。这个由伦敦DeepMind团队开发的程序，2016年3月在一场5回合的比赛中击败了围棋世界冠军李世乭，比分为4比1。现在，AlphaGo唯一的对手只剩下自身的改进版。2017年10月，DeepMind团队发布了一款升级版本——AlphaGo Zero——它应用了强化学习，并且只通过自己和自己对弈进行训练。而AlphaGo的能力则建立在对人类专业棋手数百万步走法的非监督式学习。结果，AlphaGo Zero以100回合全胜的战绩战胜了击败过李世乭的AlphaGo。
深度神经网络涉及多层由数字化的‘神经突触’连接的‘神经元’。利用大量数据以及目标任务的正确答案进行训练后，神经元之间连接的强度或者说权重得到不断调整，直到最上层网络给出正确的结果。完成训练的网络配以训练中得到的连接权重再被应用到全新数据中——这一步被称为推断。
深度神经网络近期的成功既得益于算法和网络架构的进步，也得益于获取巨量数据变得日趋容易，以及高性能计算机持续发展。当前，具备一流运算精度的深度神经网络的运算量相当大。史弋宇及其同事在《自然-电子学》上发表了一篇Perspective文章（https://go.nature.com/2lWHPww），他们在文中指出，这代表了深度神经网络面临的新挑战，特别是当它们被应用于空间和电池容量有限的手机以及诸如智能传感器、穿戴设备等嵌入式产品时。
图1：前沿深度神经网络的迭代。深度神经网络的参数量呈现指数式增长。Y轴为对数坐标。
来自美国圣母大学、加州大学洛杉矶分校和中国华中科技大学的研究团队考察了深度神经网络的精度和规模方面的数据，以及不同硬件平台的运算性能。他们指出，深度神经网络应用于设备端推断（在嵌入式平台端执行的推断）的迭代速度和CMOS技术的迭代速度存在差距——而且这个差距在增大。当深度神经网络变得更加精确，它们的尺度（层数、参数量、运算量）显著扩大。
图2：ImageNet图像分类竞赛中明星深度神经网络的前5大误判比率。前5大误判的比率随时间呈指数式下降。Y轴为对数坐标。
但是，正如史弋宇及其同事所述，典型的硬件平台——图形处理单元（GPU）、现场可编程门阵列（FPGA）以及专用集成电路（ASIC）——其计算性能的提升跟不上前沿深度神经网络的设计需求。类似的，承载这些网络的硬件平台的存储器功耗也跟不上网络尺度的增长。
图3：运算量与性能密度之间的差距。a, 运算量对比ImageNet图像分类竞赛中领先的深度神经网络的前5大误判比率。b, 领先的GPU、ASIC和FPGA硬件平台性能密度。为匹配所需运算量，简单增加芯片面积并不可行。各年只标示了夺冠的深度神经网络。Y轴为对数坐标。
史弋宇及其同事指出，“CMOS技术的迭代对于日益增长的计算强度和功耗方面的需求并没有提供足够的支撑，因此需要在架构、电路和器件上加以创新。”基于此，他们继续检验了结合不同架构和算法创新来弥补上述差距的可行性。
图4：内存访问量和内存能效之间存在差距。a, 参数量（与内存访问量高度相关）对比各年ImageNet图像分类竞赛中领先的深度神经网络的前5大误判比率。b, 主流存储技术的内存能效。内存能效在有限能量预算下将无法支持日益增长的内存访问量。各年只标示了夺冠的深度神经网络。Y轴为对数坐标。
一种方式是放弃传统的，即存储单元和计算单元物理上分离的冯·诺依曼计算架构，比如纳米级电阻式存储器（忆阻器件）能够即用于计算又用于存储。但器件的应变能力仍然是个问题，限制了运算所需精度。
在本期《自然-电子学》的另一篇文章中（https://go.nature.com/2IZ9VAq），来自苏黎世IBM研究院和苏黎世联邦理工学院的Manuel Le Gallo及其同事表明，综合利用电阻式存储器的内存内运算以及传统数字运算，或许能解决这个问题。这里的内存内运算单元，具体来说是一组相变存储器的二维阵列，它们承载主要的计算任务，而传统计算单元则迭代提升解算精度。
Le Gallo及其同事通过解算线性方程组，展示了上述被他们称为“混合精度内存内运算”方案的性能。这种方案之前也被用于训练深度神经网络。
为AI应用开发专用器件和芯片的发展前景也已引起芯片初创公司的兴趣。今年早些时候，据《纽约时报》报道，目前至少有45家初创公司在开发此类芯片，而风险投资者去年在芯片初创公司中的投资超过15亿美元，几乎是两年前投资数额的两倍。
这种技术的潜力不可小觑，学术界和产业界的研究人员正在响应机器学习和AI对硬件提出的挑战——以及随之而来的机遇。ⓝ
natelectron|doi:10.1038/s41928-018-0068-2
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