继11月亚马逊将 Alexa 语音助手的部分计算任务转移到自主设计的定制设计芯片Inferentia 后，近日，其再次宣布推出了全新的AI训练芯片AWS Trainium，据消息称，这是该公司用于训练机器学习模型的下一代定制芯片。
近年来，AI热度不断攀升，AI相关应用也在急剧增长，这引发了市场对超大型数据中心的强劲需求。另一方面，AI处理任务的持续增长，又会倒逼服务器的配置要得到持续的升级。为了满足深度学习训练任务，硬件的复杂程度不断提升，处理器性能也被提出了更高的要求。
目前在AI领域主要有GPU、FPGA 和ASIC三种技术路线。其中GPU在AI训练方面已经发展到较为成熟的阶段。而在GPU芯片领域，英伟达是龙头老大。如今，全球估计有3000家AI创业公司，其中一半以上都是在英伟达的平台上构建的。回看英伟达的发展史，其成立于1993年，这一年，全球有超过二十家的图形芯片公司，到1997年，这个数字猛增至70家。1999年，英伟达发明了GPU，为了让GPU从软硬件都走向通用，其又在2006年推出了Tesla架构，一改之前使用矢量计算单元做渲染的做法，而是把一个矢量计算单元拆成了多个标量计算渲染单元。这就使得基于这个架构的GPU除了渲染能力强以外，还适合做通用计算。也就是在这一年，英伟达推出了CUDA。按照他们的说法，这是一种用于通用GPU计算的革命性架构。CUDA将使科学家和研究人员能够利用GPU的并行处理能力来应对其最复杂的计算挑战。正是得益于这两个方向的布局，英伟达在AI时代如鱼得水。自2016年起，英伟达数据中心业务开始爆发式增长。同比增长率连续七个季度（2QFY17-4QFY18）超100%。英伟达数据中心业务单季收入及同比增长率 资料来源：英伟达公司官网与此同时，英伟达GPU在全球主要云厂商中也获得了极大的认可。根据Liftr调查显示，在阿里云、AWS、微软Azure以及Google Clound中，Tesla系列GPU的市场占有率比AMD、赛灵思以及以英特尔大幅领先。充分说明英伟达Tesla系列GPU在通用计算市场的强大竞争力。
诚如前文所言，一些厂商已经开始自研芯片，除了亚马逊之外，谷歌早在几年前就推出了自称性能可达同等级GPU产品15~30倍的AI专有芯片TPU；华为在去年8月推出“算力最强”的AI（人工智能）处理器Ascend 910（昇腾910）等。不过他们自研的大多是推理芯片，意图在专用性能上打败英伟达GPU，以摆脱英伟达在训练芯片的垄断。资料显示，由于神经网络模型在训练阶段需要处理大量数据，同时也要完成不同的学习任务，因此目前通用属性的GPU具备的大量平行运算单元，能够充分满足“训练”对运算的效率与通用性要求。但进入执行阶段，也就是“推理阶段”，一个算法模型可以根据一堆量级不大的新数据得出结论。这时候采用GPU就显得有些“大材小用”。这就是这些厂商为何研发定制推理芯片重要原因之一，对于大量推理工作，通用性或许不足，但专用肯定绰绰有余。不仅如此，这些厂商的自研芯片在它所擅长的任务上，可能具备在效能与算力上大幅领先 GPU 的能力。对比发现，谷歌TPU和特斯拉FSD都能轻易做到相较GPU，性能和效率都高出一截的表现，即便这是以牺牲可编程性为代价。当然，也有一些业界人士对这些自研芯片存有疑虑。因为他们认为，无论是自己做，还是部署其他公司的商用芯片，难度其实不相上下。但不管怎么说，这些自研芯片的厂商确实对英伟达造成了一定的威胁，并且声势愈发浩大。
与此同时，国外还存在Graphcore、Intel和AMD这些厂商，他们则希望从通用角度去挑战英伟达。首先是Graphcore，其创始人兼CEO Nigel Toon曾在一次访谈中指出：“如果只是要做基本的前馈卷积神经网路(feed-forward convolutional neural networks)，GPU是很不错的解决方案，但随着网路变得越来越复杂，人们需要全新的解决方案──这也是为何他们要用ASIC和FPGA。我们接触过的所有创新者都说，GPU正在阻碍他们创新。如果仔细看他们正在研究的模型类型，你会发现主要是卷积神经网络(CNN)，而递归神经网络(RNN)和其他类型结构，比如强化学习，并不能很好地映射到GPU。他们需要足够好的硬件平台，这是我们将IPU推向市场的原因。”按照Graphcore给出的解释，其IPU芯片可以进行推论或训练，从架构的角度来看，这非常重要，因为随着机器学习演进，系统将能够从经验中学习。推论性能表现的关键包括低延迟、能使用小模型、小批次(small batches)，以及可能会尝试导入稀疏性(sparsity)的训练模型；IPU可以有效地完成所有这些事情。与市面上领先的GPU方案相比，如果是执行用以分类静态影像的前馈卷积神经网路，GPU的表现已经相当好，但IPU可以提供两到三倍的性能优势、有时甚至是五倍。对于更复杂的模型，例如有资料来回传递以尝试理解情境(例如对话)的模型；由于资料被传递多次，需要非常快。对于这样的应用，因为所有的模型都保存在处理器中，IPU可以比GPU快很多，甚至可能快十倍、二十倍或者五十倍。所以在Graphcore眼中，IPU是自CPU、GPU之后的第三大类主流处理器。“通用”在这个路径中是个必选项，而毫无犹豫的必要。同时，英伟达还面临着老对手--AMD以及英特尔的挑衅。早在英伟达进军GPGPU的前后，AMD也有与之对应的计划，AMD选择推行“OpenCL”，这导致即使他们在2017年发布了ROCm平台来提供深度学习支持，但也改变不了他们GPU在AI时代几无所获的结局。于是，今年三月份，AMD又推出了新的CDNA架构。基于这个架构，AMD在本月中发布了新一代的Instinct MI100计算卡。数据显示，新的架构可提供高达11.5 TFLOPS的FP64峰值吞吐量，这使其成为第一个在FP64中突破10 TFLOPS的GPU。与上一代MI50相比，新加速卡的性能提高了3倍。它还在FP32工作负载中拥有23.1 TFLOPS的峰值吞吐量。数据显示，AMD的新加速卡在这两个类别中都击败了Nvidia的A100 GPU。为了更好地与英伟达竞争，AMD还表示，其开源ROCm 4.0开发人员软件现在具有开源编译器，并统一支持OpenMP 5.0，HIP，PyTorch和Tensorflow。AMD在GPU领域花的心思并不少，今年10月份，AMD还宣布将以350亿美元价位收购赛灵思，合并后的公司将拥有AMD CPU + AMD GPU + Xilinx FPGA + Xilinx SmartNIC。当然除了硬件外，AMD的Radeon Open Compute (ROCm)混合CPU-GPU开发环境，再加上赛灵思Vitis，足以对抗英伟达颇受欢迎的CUDA开发平台，以及英特尔力推的oneAPI。英特尔同样是AI芯片领域的活跃者，据介绍，英特尔的Xe架构GPU将覆盖从集成显卡到高性能计算的所有范围。其中代号为Ponte Vecchio的独立GPU则是公司面对HPC建模和仿真以及AI训练而推出的设计。Ponte Vecchio将采用英特尔的7纳米技术制造，并将成为英特尔首款针对HPC和AI工作负载进行了优化的基于Xe的GPU。但直到目前为止，尚未看到Intel的这款新品。近日，IFTD2020上，Intel还发布了首款用于5G、人工智能、云端与边缘的eASIC N5X（结构化ASIC），同时发布了最新的Intel开放式FPGA堆栈（Intel OFS），这款产品继承了Agilex FPGA的硬核处理器系统、安全特性，支持Agilex FPGA用于管理启动、身份验证和防篡改特性的安全设备管理器，采用了Diamond Mesa SoC技术。此外，为了更好地在包括AI在内的应用市场中发挥其包括CPU、GPU、FPGA和AISC在内的芯片的为例，方便开发者编程，Intel还推出了拥有远达理想的OneAPI。整个行业内，英特尔是目前在异构计算上拥有最全产品线的， 在硬件上拥有CPU、独立GPU、FPGA、eASIC、ASIC、VPU、内存和存储等，在软件上拥有统一开发平台oneAPI。因此，在未来的AI芯片市场上，我们很难去辨别到底谁会笑到最后，但很明显的是，这些厂商将在各自的领域发力，逼迫英伟达吐出吞下的巨大市场。
总的来说，无论是专用还是通用方面，英伟达都面临着来自各个厂商的压力。尤其是对于云厂商而言，在巨大利润漩涡下，谁也不能逃脱，自研芯片成为了必然选择。当然，就目前的AI芯片市场而言，英伟达仍然可以在一段时间内把控大部分份额，毕竟包括英特尔在内，大多数声势响亮的AI芯片公司才刚刚出货，或正在努力出货的路上（有些还没等到出货就夭折了），这给了英伟达升级产品充裕的时间。更重要的是，对于GPU而言，软件和开发者生态才是硬道理。只有做好了这个，才是GPU能够商用的前提。
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