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AI爆發帶來的“超級摩爾定律”

2018-11-12

人工智能機器學習的爆炸式發展正在改變計算的本質。


說這話的是谷歌軟件工程師Cliff Young,而谷歌是人工智能最大的實踐者之一。


Cliff Young上周在硅谷的一個芯片研討會發表了主題演講,他說,AI的使用已經達到了一個“指數增長階段”(exponential phase),與此同時,關于半導體發展的經驗法則——摩爾定律——已經陷入停滯。


摩爾定律的內容是:集成電路上可容納的晶體管數目,約每隔兩年便會增加一倍。經常被引用的“18個月”是由英特爾的David House提的:每18個月,芯片的性能提高一倍。


“這個時間有點神經質,”Cliff Young說:“數字CMOS的增速正在放緩,我們也看到英特爾在10納米芯片的生產方面面臨困境,還有格芯(GlobalFoundries)已經宣布放棄了7納米制造工藝研發,與此同時,深度學習進展迅猛,存在經濟需求。”CMOS即Complementary Metal Oxide Semiconductor(互補金屬氧化物半導體),是計算機芯片最常見的材料。


Young認為,由于傳統芯片難以實現更高的性能和效率,來自AI研究人員的需求正在激增。他一口氣列舉了一些數據:arXiv上關于機器學習的學術論文數量每18個月就增加一倍;在谷歌,專注于AI的內部研究項目數量也每18個月增加一倍。更為激烈的是,執行機器學習神經網絡所需的浮點運算量每三個半月就翻一番。

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Young說,所有這些計算需求的增長構成了“超級摩爾定律”,他稱這種現象“有點可怕”,“有點危險”,“令人擔憂”。


“為什么AI領域出現了這些指數級的增長?”他說,“部分原因是,深度學習確實有效。”


他說:“很長一段時間里,我的職業生涯都忽視了機器學習,因為那時尚不清楚這些東西會不會流行起來。”


但后來,圖像識別等領域的突破開始迅速出現,很明顯,深度學習“非常有效”。Young說:“在過去5年的大部分時間里,谷歌一直是一家AI-first的公司,我們以AI為基礎重建了大部分業務,從搜索業務到廣告業務等等。”


谷歌內部領導AI研究的是Google Brain團隊,它的需求是“巨型機器”。例如,神經網絡有時是通過他們使用的“權重”數量來測量的,這些變量被應用于神經網絡,以形成對數據的操縱。


傳統的神經網絡必須要計算的可能有數十萬個這樣的權重,甚至數百萬,谷歌的科學家們說“請給我們一個tera-weight級的機器”,讓計算機能夠計算一萬億權重。


這是因為“每次你將神經網絡的大小增加一倍,它的準確率就會提高。”AI的規則就是越大越好。


當然,為了應對這樣的需求,谷歌一直在開發自己的機器學習芯片,即“張量處理單元”(Tensor Processing Unit,TPU)。由于傳統的CPU和圖形芯片(GPU)跟不上速度,TPU以及類似的部件是需要的。


Young說:“在很長一段時間里,我們都躊躇不前,并表示英特爾和英偉達在構建高性能系統方面做得非常好。但我們在五年前跨過了這個門檻。”


TPU于2017年首次亮相,標榜其性能優于傳統芯片,引起了業界轟動。谷歌目前已進入TPU的第三次迭代,不過是在內部使用,并通過谷歌云提供按需計算節點。

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TPU v3 Pod


谷歌繼續制造越來越大的TPU實例。它的“pod”配置將1024個單獨的TPU連接在一起,形成一臺新型超級計算機,而且谷歌打算“繼續擴展”這個系統。


Young說:“我們正在打造巨大的多處理器計算機,具有幾十petabytes的計算力。我們同時向多個方向推進,tera-ops級的也在繼續開發。”


他說,這樣的工程“帶來了超級計算機設計中會出現的所有問題。”


例如,谷歌工程師們采用了傳奇的超級計算機公司Cray所使用的技巧。他們將芯片中負責神經網絡計算的“巨大的矩陣乘法單元”與“通用向量單元”和“通用標量單元”結合在一起。標量單元和向量單元的結合讓Cray的性能優于其他處理器。


谷歌開發了自己的新型算法結構來編程芯片。所謂的“bfloat16”是一種表示實數的方法,可以提高神經網絡數字運算的效率。bfloat16的全稱是truncated 16-bit floating point(截斷浮點數),被通俗地稱為“brain float”。


TPU采用最快的內存芯片,即所謂的高帶寬內存(HBM)。在訓練神經網絡時,對內存容量的需求也在激增。


Young說:“內存在訓練中更加集中。不只是數億個權重,還涉及處理神經網絡激活變量的問題”。


谷歌也在調整編程神經網絡的方式,以充分利用硬件。他們在數據和模型并行性方面做了大量工作,包括“Mesh TensorFlow”等項目,這是對TensorFlow編程框架的改編,目的是將數據和模型并行性在pod-scale上結合起來。


有一些技術細節Young不愿透露。他指出,谷歌沒有過多地談論“互連”(interconnects),即數據在芯片中移動的方式,只是說“我們有巨大的連接器”,拒絕提供更多信息。


Young談到一些可能并不遙遠的更有趣的計算領域。例如,他建議通過模擬芯片進行計算,這種電路將輸入作為連續值而不是作為1和0來處理,這樣可以發揮重要作用。他說:“也許我們將從模擬領域進行采樣,在物理、模擬計算或非易失性技術方面確實有一些很酷的東西。”


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