中星微推出星光智能一号芯片 开启视频监控智能时代
2018-03-02 17:23:16

6月20日,中星微数字多媒体芯片技术国家重点实验室宣布,经过多年的探索和研究,中国首款嵌入式神经网络处理器(NPU)芯片——星光智能一号诞生,并实现量产。NPU采用了“数据驱动”并行计算的架构,单颗NPU(28nm)能耗仅为400mW,极大地提升了计算能力与功耗的比例,可以广泛应用于高清视频监控、智能驾驶辅助、无人机、机器人等嵌入式机器视觉领域。

星光智能一号是中星微主导的“星光中国芯工程”的又一重大阶段性成果,这标志着我国在神经网络处理器领域的研究和开发上取得了重大突破;在基于“数据驱动并行计算”架构的深度学习人工智能领域达到国际先进水平;使我国视频监控行业发展由模拟时代、数字时代跨入智能时代,实现产业化并促进整体水平提升,在全球确立领先地位。

“星光智能一号”中国首款嵌入式神经网络处理器芯片诞生

从“深蓝”到Alphgo,人工智能如何发展?

人工智能经过了跌宕起伏的发展过程,从“深蓝”对决国际象棋,到Alphago对战围棋九段李世石,人工智能都以胜者的姿态展现在世人面前。不过,两次人机大战背后的技术力量截然不同。第一次人机大战,“深蓝”凭借的是超级计算机的运算速度,而第二次人机大战中,Alphgo依靠的却是模仿人脑的深度学习神经网络。

然而,有一个问题摆在我们面前,深蓝重达1270公斤,有32个CPU,而Alphago更是运行在一个庞大的服务器集群上,每下一盘棋的电费就高达3000元美金!深度学习只是大型服务器集群的专属吗?小型化设备能否集成深度学习系统?中星微国家重点实验室给出的答案是:前端小型化设备也可以拥有人工智能。

中星微数字多媒体芯片技术国家重点实验室执行主任张韵东表示,神经网络处理器(NPU)针对CNN(卷积神经网络,Convolutional Neural Network)算法特性而设计的处理器内核,彻底颠覆了冯诺依曼架构而采用了“数据驱动”并行计算架构。

每个NPU处理器具有4个内核(NPU Core),每个内核有两个数据流处理器(Dataflow Processor), 每个数据流处理器具有8个长位宽或16个短位宽的SIMD(单指令多数据)运算单元。在一个时钟周期内,NPU处理器可同时完成64个长位宽MAC运算或者128个短位宽MAC运算。每个NPU处理器具有38G Ops的长位宽处理能力或者76G Ops的短位宽处理能力。

NPU的处理性能可以通过组成多核阵列来提升,也可以通过多芯片级联的方式进一步扩展,以满足更复杂的CNN网络运算的性能需求。每个NPU处理器中同时还包含一个LW Processor(长字处理器),专门用于处理神经元网络中的超越函数等复杂计算。另外,每个NPU处理器还具有256KB Level-2 Cache,以及整块数据搬移(Block Data Access),片内数据共享(Data-sharing Between Processor Units),提升数据流的吞吐效率。并与软件配合利用了稀疏数据优化(Optimization for Sparse Data)等特性提高计算效率。NPU开发包提供可视化的数据流程图优化工具。NPU支持Caffe、TensorFlow等多种神经网络框架, 支持AlexNet、GoogleNet等各类神经网络。

张韵东介绍说,星光智能一号的诞生,将人工智能与大数据产业有机结合在一起,成千上万个视频监控设备所产生的数据,通过前端智能分析、后端深度挖掘,能够产生巨大的社会效益和经济价值。

“星光智能一号”芯片

从星光一号到星光智能一号,芯片产业未来在何方?

在中国芯片产业发展史上,“中星微”是一个耀眼的名字。1999年,在原国家信息产业部的直接投资和领导下,以及财政部、科技部、国家发改委、北京市等有关部门的大力支持下,邓中翰、杨晓东等一批来自美国硅谷的留学回国博士在北京中关村创立了中星微电子集团。

2001年9月,百万门级超大规模芯片“星光一号”实现产品化,并成功打入国际IT市场,结束了中国无“芯”历史。星光数字多媒体芯片系列产品,广泛应用于个人电脑、宽带、移动通讯、信息家电等领域,占据了全球计算机图像输入芯片60%以上的市场份额。有媒体将“星光一号”同神州飞船、水稻基因组并称为20世纪90年代的重大科技成果,称其“取得了一系列历史性成就,书写了新的辉煌篇章”。

中星微主导的“星光中国芯工程”,见证着中国芯片产业的发展,中星微成为中国第一家在美国纳斯达克上市的集成电路设计企业;牵头制定的SVAC国家标准是世界上第一个专门用于安防监控领域的视音频编解码标准;公司创始人邓中翰也成为我国第一位来自创业创新领域的两院院士,同时也是最年轻的中国工程院院士。

从“星光系列”芯片,到“星光移动系列”芯片,再到“星光智能一号”,中星微走过了十五个年头。十五年风雨无阻,十五年砥砺前行,中星微实现了几代中国集成电路科技工作者的梦想,是中国电子信息产业从“中国制造”迈向“中国创造”、引领国际市场的成功典范。

十余年来,中星微实现了九大核心技术突破,申请了3000多项国内外专利,其中超过90%是发明专利,形成了完整的数字多媒体芯片技术体系,建立了国际认可的PC图像输入国际标准和移动应用处理器MIPI国际标准,开发出拥有自主知识产权、具有国际先进水平的系列芯片,先后两次获得“国家科技进步一等奖”。

面对半导体行业发展面临的瓶颈,中星微创新地提出了“智能摩尔(Intelligent Moore)”的发展路径。张韵东表示,虽然物理层面和信号层面都受到摩尔定律的制约,但在信息层面的技术创新还远没有达到极限。如何进一步借鉴人脑生理机制,研究新型计算架构,提升信息处理的性能功耗比,可能是下一次信息革命的关键。

张韵东表示,在未来五年中,中星微会持续开展新型“数据驱动”并行计算架构的研究工作,采用更加接近生物人脑的工作机理的方式,推出更低功耗、更高运算性能的下一代神经网络处理器。摩尔定律走到尽头是客观物理规律,但是通过人工智能的发展,信息处理效率的提升还大有可为。

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