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在北京市海淀區(qū)一座十余層大廈的一間展廳內(nèi)，一臺電腦的屏幕上顯示著大廈入口來往車輛的信息。“如果有違規(guī)情況，攝像頭就能在第一時間識別出來，并將相關(guān)車輛信息實時報告給監(jiān)督者。”張韻東介紹說。

賦予攝像頭這一識別及判斷能力的載體是一塊邊長約兩厘米的正方形銀色芯片。6月20日，張韻東所在的中星微 “數(shù)字多媒體芯片技術(shù)”國家重點實驗室舉行媒體發(fā)布會稱，其發(fā)明的中國首款嵌入式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器（NPU）芯片誕生，并已于今年3月6日實現(xiàn)量產(chǎn)。

“原來的視頻處理芯片相當(dāng)于一只‘眼睛’。”擔(dān)任該國家重點實驗室執(zhí)行主任的張韻東比喻說，而“星光智能一號”讓“眼睛”具備了人腦的功能，將后臺的智能判斷提到了前端，可實時地識別更高級的智慧信息，如身份證號碼、車牌號、人員身份。

這款被命名為“星光智能一號”的芯片，蘊含了當(dāng)前計算機領(lǐng)域最前沿的生物人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿生學(xué)創(chuàng)新技術(shù)，且對嚴(yán)重依賴國外進(jìn)口產(chǎn)品的中國集成電路產(chǎn)業(yè)來說，也是實現(xiàn)“彎道超車”的一次踴躍嘗試。

集成“大腦”的“眼睛”

為了了解其對人臉的識別能力，一名男記者現(xiàn)場邀請長相跟他相像的一名工作人員一起“刷臉”。果然，在讀取身份證之后，攝像頭在不到1秒鐘的時間內(nèi)就判斷出工作人員才是本人。

“星光智能一號”之所以能“看懂”這些信息，是因為它集成了視頻信號處理、視頻壓縮編碼模塊以及NPU等系統(tǒng)。尤其是該實驗室自主研發(fā)的嵌入式NPU，徹底顛覆了采用傳統(tǒng)馮諾依曼架構(gòu)的CPU（中央處理器），賦予這顆“眼睛”像“大腦”一樣的分析功能。

“當(dāng)前，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）算法已成為智能機器視覺領(lǐng)域的研究熱點。”該實驗室嵌入式人工智能項目組組長昝勁文說，該算法通過仿生人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可降低網(wǎng)絡(luò)模型的復(fù)雜程度，在處理海量輸入數(shù)據(jù)、大規(guī)模乘積累加運算、稀疏權(quán)值矩陣等方面具有優(yōu)勢。

然而，傳統(tǒng)CPU程序指令與數(shù)據(jù)共處一個存儲空間，運行CNN算法效率不高。中星微NPU采用數(shù)據(jù)驅(qū)動并行計算架構(gòu)，使計算機的能耗比“至少提高了兩三個數(shù)量級”，讓人工智能在嵌入式機器視覺應(yīng)用中可以大顯身手。

“馮諾依曼架構(gòu)的編程方式是線性的，而我們的編程方式是二維的。”該實驗室神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器項目組組長周林均告訴記者。

據(jù)介紹，中星微每個NPU處理器有4個內(nèi)核，每個內(nèi)核有兩個數(shù)據(jù)流處理器，每個數(shù)據(jù)流處理器有8個長位寬或16個短位寬的SIMD（單指令多數(shù)據(jù)）運算單元。“這樣每個NPU處理器就包含了128個并行處理單元，相當(dāng)于高速公路上有128個車道并行。”張韻東說。這使得每個NPU處理器具有每秒38G Ops（標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)字標(biāo)牌接口規(guī)范）的長位寬處理能力或76G Ops的短位寬處理能力。

“彎道超車”在于創(chuàng)新

張韻東向記者透露，“星光智能一號”已成功在安防視頻監(jiān)控領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，并已銷售數(shù)十萬件。該芯片在全球率先實現(xiàn)量產(chǎn)應(yīng)用，可謂是中國企業(yè)實現(xiàn)對國外集成電路產(chǎn)業(yè)“彎道超車”的一次成功嘗試。

當(dāng)前中國該產(chǎn)業(yè)形勢相當(dāng)嚴(yán)峻。工信部數(shù)據(jù)顯示，我國十余年來集成電路進(jìn)口額長期處于各類商品之首，每年達(dá)2000億元左右。這種依賴性隨時可將中國通信產(chǎn)業(yè)置于難以預(yù)料的風(fēng)險之中。例如今年3月7日，中興通訊因被美國商務(wù)部實施出口限制措施而停牌。因其對美國零部件和軟件供應(yīng)商的依賴，嚴(yán)重?fù)p害了手機終端和電信設(shè)備業(yè)務(wù)，損失額估計達(dá)1000億元以上。

當(dāng)前，人工智能已成為下一代信息產(chǎn)業(yè)浪潮的顛覆性技術(shù)，微軟、高通、谷歌以及美國宇航局支持的KnuEdge等公司紛紛推出自己的NPU。“我們比人家落后太多，現(xiàn)在新的技術(shù)不斷涌現(xiàn)，我們要把握住整個行業(yè)格局變化重新洗牌的機會。”張韻東說。

在他看來，中國集成電路產(chǎn)業(yè)要想實現(xiàn)趕超，答案就在于自主創(chuàng)新。據(jù)悉，此次推出的“星光智能一號”現(xiàn)已申請16項專利，未來可廣泛應(yīng)用于智能駕駛輔助、無人機、機器人等嵌入式機器視覺領(lǐng)域。

后摩爾時代的探索

當(dāng)前，隨著集成電路研發(fā)逐步逼近香農(nóng)定理、摩爾定律的極限，很多業(yè)內(nèi)研究者感到前途茫茫。而中星微NPU或許正是一塊“引玉之磚”。

根據(jù)摩爾定律，集成電路上可容納的元器件數(shù)目約每隔兩年便會增加一倍，性能也將提升一倍。“然而，現(xiàn)在半導(dǎo)體工藝已經(jīng)逼近量子尺度，摩爾定律的盡頭近在眼前。而傳統(tǒng)CPU受限于散熱問題，其時鐘頻率更早趨于上限。”張韻東說。“理論上，極限時鐘頻率是1000G，但傳統(tǒng)CPU受限于散熱，達(dá)不到10G。”

如此一來，人們設(shè)想的高級智能機器人還能否實現(xiàn)呢？張韻東介紹，業(yè)界關(guān)于后摩爾定律時代提出了兩種不同的觀點：一種是繼續(xù)推進(jìn)摩爾定律，在新型材料、工藝制程和器件結(jié)構(gòu)上努力，將摩爾定律再推進(jìn)一步；另一種是超越摩爾定律，即通過系統(tǒng)集成單顆芯片或是多芯片堆疊的方式，實現(xiàn)更多的功能。

張韻東表示，中星微的觀點是走“智能摩爾”的路線，即不否認(rèn)相關(guān)技術(shù)的物理制約，推進(jìn)信息層面的技術(shù)創(chuàng)新。“這一方面還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到極限，如何進(jìn)一步借鑒人類智慧機理，如何把原始數(shù)據(jù)變成有用的信息，在信息層面還有很多技術(shù)有待創(chuàng)新。”

此次，“星光智能一號”就采用了先進(jìn)的過億門級集成電路設(shè)計技術(shù)及超亞微米芯片制造工藝。未來，該實驗室將采用更加接近生物人腦的工作機理方式，推出更低功耗、更高運算新能的下一代NPU。“人腦的奧秘現(xiàn)在還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有被了解。”張韻東說，“研究新型的計算架構(gòu)，提升信息處理的性能功耗比，這可能是下一次信息革命的關(guān)鍵點。”