人工智能的興起觸發了市場對 GPU 的大量需求，但 GPU 在 AI 場景中的應用面臨使用壽命短、使用成本高等問題。現場可編程門陣列 （FPGA） 這一可以定制化硬件處理器反倒是更好的解決方案。隨著可編程性等問題在 FPGA 上的解決，FPGA 將成為市場人工智能應用的選擇。

在過去的十年里，人工智能的再一次興起使顯卡行業受益匪淺。英偉達 （Nvidia） 和 AMD 等公司的股價也大幅上漲，因為事實表明，它們的 GPU 在訓練和運行 深度學習模型 方面效果明顯。實際上，英偉達也已經對自己的業務進行了轉型，之前它是一家純粹做 GPU 和游戲的公司，現在除了作為一家云 GPU 服務提供商外，英偉達還成立了專業的人工智能研究實驗室。

不過，機器學習軟件公司 Mipsology 的首席執行官兼聯合創始人盧多維奇?拉祖爾 （Ludovic Larzul） 表示，GPU 還存在著一些缺陷，這使其在 AI 應用中面臨著一些挑戰。

Larzul 表示，想要解決這些問題的解決方案便是實現現場可編程門陣列 （FPGA），這也是他們公司的研究領域。FPGA 是一種處理器，可以在制造后定制，這使得它比一般處理器更高效。但是，很難對 FPGA 進行編程，Larzul 希望通過自己公司開發的新平臺解決這個問題。

專業的人工智能硬件已經成為了一個獨立的產業，但對于什么是深度學習算法的最佳基礎設施，人們仍然沒有定論。如果 Mipsology 成功完成了研究實驗，許多正受 GPU 折磨的 AI 開發者將從中受益。

GPU 深度學習面臨的挑戰

三維圖形是 GPU 擁有如此大的內存和計算能力的根本原因，它與 深度神經網絡 有一個共同之處：都需要進行大量矩陣運算。

顯卡可以并行執行矩陣運算，極大地加快計算速度。圖形處理器可以把訓練神經網絡的時間從幾天、幾周縮短到幾小時、幾分鐘。

隨著圖形硬件公司供貨的不斷增加，GPU 在深度學習中的市場需求還催生了大量公共云服務，這些服務為深度學習項目提供強大的 GPU 虛擬機。

但是顯卡也受硬件和環境的限制。Larzul 解釋說：“神經網絡訓練通常是在一個確定的環境中進行的，運行神經網絡的系統會在部署中遇到各種限制——這可能會對 GPU 的實際使用造成壓力。”

GPU 需要大量的電力，會產生大量的熱量，并需要使用風扇冷卻。當你在臺式工作站、筆記本電腦或機架式服務器上訓練神經網絡時，這不是什么大問題。但是，許多部署深度學習模型的環境對 GPU 并不友好，比如自動駕駛汽車、工廠、機器人和許多智慧城市環境，在這些環境中硬件必須忍受熱、灰塵、濕度、運動和電力限制等環境因素。

Larzul 說：“在一些關鍵的應用場景中，比如智慧城市的視頻監控，要求硬件暴露在對 GPU 有不利影響的環境因素 （比如太陽） 下。“ GPU 受晶體管技術的限制，導致它們在高溫下運行時需要及時冷卻，而這并不總是可以實現的。要做到這點需要更多的電力、維護成本等。”

使用壽命也是一個問題。一般來說，GPU 的使用 壽命約為 2-5 年，這對那些每隔幾年就換一次電腦的玩家來說不是什么大問題。但在其他領域，如汽車行業，需要硬件有更高的耐用性，這就帶來了問題。特別是過多的暴露在惡劣的環境中，再加上高強度的使用，GPU 的使用壽命將會更短。

Larzul 說：“從商業可行性方面考慮，自動駕駛汽車等應用可能需要多達 7-10 個 GPU（其中大多數會在不到四年的時間內失效），對于大多數購車者來說，智能或自動駕駛汽車的成本將變得不切實際。”

機器人、醫療保健和安全系統等其他行業也面臨著類似的挑戰。

FPGA 和深度學習

FPGA 是可定制的硬件設備，可對其組件進行調節，因此可以針對特定類型的架構 （如 卷積神經網絡） 進行優化。其可定制性特征降低了對電力的需求，并在運算速度和吞吐量方面提供了更高的性能。它們的使用壽命也更長，大約是 GPU 的 2-5 倍，并且對惡劣環境和其它特殊環境因素有更強的適應性。

有一些公司已經在他們的人工智能產品中使用了 FPGA。微軟 就是其中一家，它將基于 FPGA 的機器學習技術作為其 Azure 云服務產品的一部分來提供。

不過 FPGA 的缺陷是難于編程。配置 FPGA 需要具備硬件描述語言 （如 Verilog 或 VHDL） 的知識和專業技能。機器學習程序是用 Python 或 C 等高級語言編寫的，將其邏輯轉換為 FPGA 指令非常困難。在 FPGA 上運行 TensorFlow、PyTorch、Caffe 和其他框架建模的神經網絡通常需要消耗大量的人力時間和精力。

“要對 FPGA 進行編程，你需要組建一支懂得如何開發 FPGA 的硬件工程師團隊，并聘請一位了解神經網絡的優秀架構師，花費幾年時間去開發一個硬件模型，最終編譯運行在 FPGA 上，與此同時你還需要處理 FPGA 使用效率和使用頻率的問題。“Larzul 說。此外你還需要具備廣泛的數學技能，以較低的精度準確地計算模型，并需要一個軟件團隊將 AI 框架模型映射到硬件架構。

Larzul 的公司 Mipsology 希望通過 Zebra 來彌合這一差距。Zebra 是一種軟件平臺，開發者可以輕松地將深度學習代碼移植到 FPGA 硬件上。

Larzul 說：“我們提供了一個軟件抽象層，它隱藏了通常需要高級 FPGA 專業知識的復雜性。”“只需加載 Zebra，輸入一個 Linux 命令，Zebra 就可以工作了——它不需要編譯，不需要對神經網絡進行任何更改，也不需要學習任何新工具。不過你可以保留你的 GPU 用于訓練。”

AI 硬件前景

Mipsology 的 Zebra 平臺是開發者探索在 AI 項目中使用 FPGA 的 眾多方案之一。Xilinx 是 FPGA 領域的領導者，已經開發了 Zebra 并將其集成到了電路板中。其他公司，如谷歌和特斯拉，也正積極的為其開發專用的 AI 硬件，用于自己的云產品和邊緣計算產品環境中。

神經形態芯片 方面也有著一些發展，這是一種專門為神經網絡設計的計算機架構。英特爾在神經形態計算領域處于領先地位，已經開發了幾種模型架構，不過該領域仍處于早期發展階段。

還有專門用于特定應用的集成電路 （ASIC），即專為某一特定人工智能需求制造的芯片。但 ASIC 缺乏 FPGA 的靈活性，無法重新編程。

Larzul 最后說，“我們決定專注于軟件業務，探索研究提升神經網絡性能和降低延遲的方案。Zebra 運行在 FPGA 上，因此無需更換硬件就可以支持 AI 推理。FPGA 固件的每次刷新都能給我們帶來更高的性能提升，這得益于其高效性和較短的開發周期。另外，FPGA 的可選擇方案很多，具有很好的市場適應性。”
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