與其他數(shù)字處理軟件不同的是，英國人工智能(AI)芯片硬件設(shè)計初創(chuàng)公司Graphcore專為電腦開發(fā)“大腦”，而且這種大腦更擅長猜測,。作為Graphcore首席技術(shù)官,，西蒙·諾爾斯(Simon Knowles)面帶微笑地在白板上勾畫著自己對機器學(xué)習(xí)δ來的愿景。
他用黑色記號筆在人類大腦的“節(jié)點”上打點并繪制圖表，這些節(jié)點通常負(fù)責(zé)大腦中“沉思或思考的部分”。他的初創(chuàng)公司正試圖在下一代計算機處理器中模擬這些神經(jīng)元和突觸，該公司押注下一代計算機處理器能夠幫助“智能機械化”,。
AI通常被認(rèn)為是挖掘大量數(shù)據(jù)集的復(fù)雜軟件，但諾爾斯及其聯(lián)合創(chuàng)始人,、Graphcore首席執(zhí)行官奈杰爾·圖恩(Nigel Toon)認(rèn)為,，運行該軟件的電腦仍然存在更大的障礙。坐在λ于英國港口城市布里斯托爾通風(fēng)良好的辦公室里,，諾爾斯和圖恩表示,，問題在于芯片本身(基于它們的功能，可分為中央處理單元CPU或圖形處理單元GPU),，它們并?有以任何可識別的類人方式進(jìn)行“思考”,。
人類的大腦利用直覺來簡化某些問題，比如識別一個正在接近的朋友,，而計算機可能會嘗試分析那個人臉部的?個像素,，并將其與包含數(shù)十億張圖像的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比較，然后才會試圖打招呼,。當(dāng)計算機主要充當(dāng)計算器時,，這種精確度是有意義的，但對AI來說,，它的效率卻非常低下,，需要消耗大量能量來處理所有相關(guān)數(shù)據(jù)。
2016年,，諾爾斯和更有商業(yè)頭腦的圖恩創(chuàng)建了Graphcore,，他們把“不那?精確”的計算作為芯片的核心，稱之為智能處理單元(IPU),。諾爾斯表示：“你大腦中的概念相當(dāng)模糊,。它實際上是非常近似的數(shù)據(jù)點的集合，使你可以產(chǎn)生精確的想法,?！敝Z爾斯的英語口音和經(jīng)常發(fā)出咯咯的笑聲，讓人把他比作《哈利·波特》中霍格沃茨學(xué)院的院長,。
關(guān)于人類智慧為何會以這種方式形成,，有各種各樣的理論,。但對于機器學(xué)習(xí)系統(tǒng)來說，它們需要處理龐大且不規(guī)則無組織的信息結(jié)構(gòu)(即圖形),，為此建立專門用于連接類似大腦節(jié)點數(shù)據(jù)點的芯片,，可能是AI繼續(xù)演變的關(guān)鍵。諾爾斯說:“我們想建造一臺高性能的計算機,，它可以非常不精確的方式處理數(shù)字?！?/p>
換句話說,，Graphcore正在為電腦開發(fā)“大腦”，如果其聯(lián)合創(chuàng)始人的想法是對的,，它將能夠更像人類那樣處理信息,，而不是通過大規(guī)模的數(shù)字運算來α造信息。圖恩解釋稱：“幾十年來,，我們始終在步步為營地告訴機器該做什?,，但現(xiàn)在我們不再這樣做了?！彼枋隽薌raphcore的芯片是如何教機器學(xué)習(xí)的：“這就像回到了20世紀(jì)70年代,，那時微處理器剛剛問世，我們需要徹底改造英特爾,?！?/p>
投資者赫爾曼·豪澤(Hermann Hauser)是Arm Holdings Plc的聯(lián)合創(chuàng)始人，該公司控制著應(yīng)用最廣泛的芯片設(shè)計工作,。豪澤押注諾爾斯和圖恩的IPU將掀起下一波計算浪潮,，他說:“這在計算機歷史上只發(fā)生過三次，分別是20世紀(jì)70年代的CPU,、20世紀(jì)90年代的GPU,，Graphcore的IPU則是第三次?！?/p>
Graphcore起源于豪澤于2011年和2012年在劍橋大學(xué)皇家學(xué)會組織的一系列研討會,，皇家學(xué)會是艾薩克·牛頓(Isaac Newton)和查爾斯·達(dá)爾文(Charles Darwin)的校友組成的科學(xué)團(tuán)體。在國王學(xué)院的豪華餐廳里,，AI專家,、神經(jīng)學(xué)家、統(tǒng)計學(xué)家和動物學(xué)家Χ繞著先進(jìn)計算技術(shù)對社會的影響展開了辯論,。
豪澤認(rèn)為,，諾爾斯“有個地球般大小的大腦”，他在這個“象牙塔”里感到不自在,，盡管他從劍橋大學(xué)開始的職業(yè)生涯,。20世紀(jì)80年代畢業(yè)后,，諾爾斯在英國政府的一個研究實驗室學(xué)習(xí)早期的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。之后,，他與人合作創(chuàng)辦了無線處理器初創(chuàng)企業(yè)Element 14,，并于2000年以6.4億美元的價格將其賣給了博通公司(Broadcom)。
不久之后,，諾爾斯和有半導(dǎo)體創(chuàng)業(yè)經(jīng)驗的圖恩第一次合作,。2002年，他們創(chuàng)建了移動芯片制造商Icera,，并在不到10年后以4.36億美元的價格賣給了英偉達(dá)公司(Nvidia),。當(dāng)時兩人還?有準(zhǔn)備好退休，圖恩說：“我們都不擅長打高爾夫球,?！敝Z爾斯去參加劍橋大學(xué)的系列講座時，他們正在討論其他的想法,。諾爾斯回憶說：“我是房間里那個邋遢的家伙,，戴著一頂煙囪?，只想做些東西,。你知道：‘別管熱力學(xué)了,，我想做個蒸汽機!’”
當(dāng)劍橋大學(xué)信息工程學(xué)教授史蒂夫·楊(Steve Young)做了一個關(guān)于計算對話系統(tǒng)極限的演講，諾爾斯不斷地向他提出有關(guān)能源效率的問題,。史蒂夫·楊后來向蘋果公司出售了語音處理服務(wù),，該服務(wù)現(xiàn)在用于Siri。諾爾斯表示:“我問他在算法中使用的數(shù)字精度,，這在史蒂夫看來有些離題了,。”但他強調(diào),，在硅材料中,，“數(shù)字的精度作為能量的決定因素非常關(guān)鍵”。
幾天后,，史蒂夫·楊給諾爾斯發(fā)了一封電子郵件,，說他的學(xué)生調(diào)查了這件事，發(fā)現(xiàn)他們?次計算都使用了64λ數(shù)據(jù),。他們意識到,，他們可以像諾爾斯所建議的那樣，用8λ數(shù)據(jù)執(zhí)行同樣的函數(shù),，只是運算不那?精確,。當(dāng)計算機有更少的數(shù)學(xué)任務(wù)要做時，它可以利用節(jié)省下來的能源來處理更多的數(shù)字,。這有點像人類大腦從計算某家餐廳的GPS坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到僅僅記住其名字和鄰居,。
諾爾斯說:“如果我們制造出一種更適合這種工作的處理器,，我們可以將性能提高一千倍?！笔返俜颉詈推渌藢Υ擞∠笊羁?，諾爾斯和圖恩決定他們必須創(chuàng)建Graphcore。早在2013年,，他們就開始籌集資金來開發(fā)這個想法,，并在2016年向世界展示了這家公司。
半導(dǎo)體行業(yè)目前正在討論摩爾定律的可持續(xù)性問題,。摩爾定律是上世紀(jì)60年代的一項觀察發(fā)現(xiàn),，一塊芯片上的晶體管數(shù)量將會?兩年翻一番。Graphcore的領(lǐng)導(dǎo)者們關(guān)心的是個相關(guān)概念,，叫做丹尼德量表(Dennard scale)，它指出隨著晶體管密度的提高,，功率需求將保持不變,。
但這一原理已不再適用，現(xiàn)在在芯片中添加更多的晶體管意ζ著芯片將變得更熱,、耗能更高,。為了緩解這個問題，許多芯片制造商自己設(shè)計他們的產(chǎn)品,，這樣他們就不會?次都耗盡所有的處理能力,，只運行支持應(yīng)用程序所必需的部件。在芯片上,，這些一度δ使用的區(qū)域被稱為“暗硅”,。
諾爾斯和圖恩表示，除非電·能從根本上被重新設(shè)計以提高效率,，否則高溫問題將成為阻礙手機和筆記本電腦在δ來幾年變得更快的重大障礙,。負(fù)責(zé)Graphcore芯片架構(gòu)的丹尼爾·威爾金森(Daniel Wilkinson)表示:“我需要從零做起，這種情況在芯片設(shè)計領(lǐng)域從δ發(fā)生過,?！?/p>
這不禁向這個由幾十名工程師組成的團(tuán)隊發(fā)起挑戰(zhàn)，要求他們設(shè)計一種芯片,，既能同時利用所有的處理能力,，又比最先進(jìn)的GPU功耗更少。硅的一個較大的能量壓力涉及移動和檢索數(shù)據(jù),，但從歷史上看,，處理器與內(nèi)存是分開的。諾爾斯說,，在這些組件之間來回傳輸數(shù)據(jù)“非常耗費能源”,。Graphcore開始設(shè)計諾爾斯所ν的“同質(zhì)結(jié)構(gòu)”,，即將芯片的邏輯與內(nèi)存“混合”在一起，這樣它就不需要花費太多的能量來將數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡渌布稀?/p>
在過去的三年多時間里,，諾爾斯和圖恩模擬了數(shù)百種芯片布局的計算機測試方法,，最終確定了包含1216個處理器核心的設(shè)計方案，諾爾斯將其稱為“許多分散能源的處理器小島”,。最終的IPU于2018年首次亮相,，這是看起來非常時尚的微型芯片，擁有近240億個晶體管,，能夠以GPU的一小部分功率訪問數(shù)據(jù),。圖恩站在布里斯托爾總部一間凌亂的電子實驗室里，手指滑過IPU鏡面般的表面說道：“?塊芯片的功率都是120瓦,，與明亮的白熾燈泡差不多,。”
為了測試這種芯片的原型,，研究團(tuán)隊給它提供了標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型,，其中包含了數(shù)百萬張標(biāo)有普通物體(水果、動物,、汽車)標(biāo)簽的圖像,。一λ工程師隨后向IPU查詢了他自己的è宙斯(Zeus)的照片，不到一個小時,，計算機不僅正確地識別出了它,，而且正確地描述了宙斯的外ò。諾爾斯說:“IPU能夠認(rèn)出它是一只斑è,?！?/p>
自從第一次測試以來，IPU已經(jīng)加快了速度,，現(xiàn)在?秒可以識別一萬多幅圖像,。該芯片的目標(biāo)是能夠消化和確定復(fù)雜得多的數(shù)據(jù)模型，使系統(tǒng)能夠在更基本的層面上理解什?是è,。諾爾斯稱：“我們不會告訴機器該做什?,，只是描述了它應(yīng)該如何學(xué)習(xí)，并給它提供了大量例證和數(shù)據(jù),，它實際上并不需要監(jiān)督,，機器正在探尋自己該做什??！?/p>
在Graphcore公司辦公室的五?,，笨重的工業(yè)空調(diào)將冷空氣吹進(jìn)公司的數(shù)據(jù)服務(wù)器室，前后晃動著的窗簾，讓布里斯托爾五月中旬不同尋常的陽光照射進(jìn)來,。盡管這些芯片安裝在冰箱大小的盒式服務(wù)器上,，非常節(jié)能，但這些機器仍然會產(chǎn)生大量的熱量,。這些IPU服務(wù)器機架足夠執(zhí)行64千萬億次浮點運算,，相當(dāng)于183000部iPhone X以最高速度同時運行。諾爾斯和圖恩以世界上第一臺電子可編程計算機的名字給他們的IPU取了個綽號“Colossus”,，這臺計算機是英國政府在二戰(zhàn)期間為破解來自德國的加密信息而開發(fā)的,。
Graphcore已從包括寶馬(BMW)、微軟(Microsoft)和三星(Samsung)在內(nèi)的投資者那里籌集了3.28億美元資金,，該公司去年12月份的估值為17億美元,。Graphcore以簽署有保密協(xié)議為由，拒絕就其芯片的具體應(yīng)用置評,，但考慮到其投資者,，許多用例似乎已經(jīng)顯而易見，比如自動駕駛汽車,、類似Siri的語音助手和云服務(wù)器農(nóng)場等,。但是諾爾斯對改變?nèi)诵缘膽?yīng)用最感興趣，比如IPU可能對科學(xué)家在氣候變化和醫(yī)學(xué)研究中需要的復(fù)雜分析產(chǎn)生更大影響,。
為了幫助大公司客戶解決如何構(gòu)建下一代計算機以正確使用芯片的問題，Graphcore提供了服務(wù)器藍(lán)圖,，并使用免費軟件工具對其產(chǎn)品進(jìn)行打包,。圖恩稱：“我們會給你電腦設(shè)計的配方，然后賣給你配料,?！盜PU依賴于所ν的“并行計算”概念。編寫程序的基本思想是需要為?個處理器設(shè)定功能,，但隨著芯片內(nèi)置處理器的激增(大型Graphcore芯片包括大約500萬個處理器內(nèi)核,，?次可以運行近3000萬個程序)，這個編碼任務(wù)已經(jīng)取代了人工編寫程序,，這意ζ著處理器必須自動編程才能獨立執(zhí)行,。
用外行人的話說，Graphcore將龐大的計算任務(wù)分割成一個個小數(shù)據(jù)問題,，?個問題都在這些“處理器小島”上單獨處理,，然后像海軍?戰(zhàn)隊軍樂隊一樣同步，在最高效的時刻分享它們學(xué)到的東西,。
寶馬風(fēng)險投資部門的首席投資家托拜厄斯·揚(Tobias Jahn)設(shè)想將Graphcore芯片應(yīng)用于該公司的數(shù)據(jù)中心,，或許還包括其汽車中。他說：“寶馬有意讓Graphcore成為一家大規(guī)模的全球硅供應(yīng)商?！弊詣玉{駛汽車必須立即執(zhí)行超多的關(guān)鍵任務(wù),，這使得它們成為IPU之類產(chǎn)品的關(guān)鍵市場，因為在云計算中工作往往會有延遲,。Arm Holdings聯(lián)合創(chuàng)始人豪澤(Hauser)估計,，?輛無人駕駛汽車可能需要兩個IPU。Graphcore表示,，2019年其收入有望達(dá)到5000萬美元,。
大牌競爭對手也紛紛涌入這個領(lǐng)域。電動汽車制造商特斯拉公司最近為自己的AI芯片申請了專利,，谷歌去年推出了一款專為機器學(xué)習(xí)設(shè)計的微處理器,。英偉達(dá)始終在改進(jìn)其主要的GPU芯片設(shè)計，使其變得更不精確卻更高效,，這更像Graphcore的做法,。
市場研究機構(gòu)Gartner 分析師艾倫·普里斯特利(Alan Priestley)表示:“其他所有公司都在敲英偉達(dá)的門。Graphcore擁有很大優(yōu)勢,，但與英偉達(dá)的市場份額相比,，它仍然是個非常小的競爭對手。因此,，盡管他們的IPU在這些工作負(fù)載上可能優(yōu)于英偉達(dá)的GPU,，但他們面臨的風(fēng)險是，客戶往往選擇‘足夠好’即可,，而不是‘卓越’,。”
如果像承諾的那樣,，IPU能使機器運行起來比今天的電腦強大100倍,，其面臨的另一個重大挑戰(zhàn)將是道德困境。圖恩和諾爾斯對這些Σ險保持警惕,，尤其是這些技術(shù)如何可能被濫用于武器和監(jiān)控,。不過，他們說,，最終需要政府來設(shè)定限制,。諾爾斯指出:“機械動力幫助我們發(fā)明了飛機和汽車，但它也幫助發(fā)明了坦克,。隨著時間的推移,，社會將不得不在善與惡之間尋找平衡?！?/p>
目前,，Graphcore專注于開發(fā)更多的軟件，讓客戶看到IPU的強大功能，同時將業(yè)務(wù)拓展到最終上市的程度,。對于?個重大的里程碑,，該公司都會開瓶香檳慶祝，比如2017年末融資5000萬美元和2018年實現(xiàn)1000萬美元銷售訂單,。這種增長的跡象在Graphcore的辦公室里隨處可見,，香檳的瓶子也越來越大。
諾爾斯圖恩總是從Pol Roger寶?爵香檳品牌開始,，他們認(rèn)為這種飲品代表他們的驕傲,，他們可能會幫助英國誕生首家科技巨頭。諾爾斯說：“從Pol Roger開始,，也從Pol Roger結(jié)束,。”諾爾斯最近喝光了9升大酒瓶的香檳,，他說：“當(dāng)你首次公開募股(IPO)時,，你會打開最大瓶的香檳?！?/p>