隨著全球對機器學習設備的需求不斷增長，許多屬於 EDA（電子設計自動化）、顯卡、遊戲、多媒體行業的主要市場參與者正在投資提供創新的高速計算處理器。雖然人工智慧主要基於模仿人類思想和想法的軟體算法，但硬體也是一個重要組成部分。現場可編程門陣列 (FPGA) 和圖形處理單元 (GPU) 是大多數 AI 操作的兩種主要硬體解決方案。據先行研究組預測，2021年全球人工智慧硬體市場規模為104.1億美元，預計到2030年將達到892.2億美元，2022-2030年複合年增長率為26.96%。
FPGA 和 GPU 概述
FPGA 與 GPU
FPGA概述
具有可重新編程邏輯門的硬體電路稱為現場可編程門陣列 (FPGA). 當晶片在現場使用時，用戶可以通過覆蓋配置來設計獨特的電路。這與不能重新編程的標準晶片形成對比。使用 FPGA 晶片，您可以構建從簡單的邏輯門到多核晶片組的任何東西。FPGA 的使用非常流行，其中內部電路是必不可少的，並且預計會發生變化。FPGA 應用涵蓋 ASIC 原型設計、汽車、多媒體、消費電子產品以及更多領域。根據應用要求，可選擇低端、中端或高端 FPGA 配置。Lattice 半導體的 ECP3 和 ECP5 系列、Xilinx 的 Artix-7/Kintex-7 系列和 Intel 的 Stratix 系列是一些流行的低功耗和低設計密度的 FPGA 設計。
邏輯塊是使用具有有限輸入的查找表 (LUT) 構建的，並使用基本存儲器（例如 SRAM 或快閃記憶體）來構建以存儲布爾函數。每個 LUT 都連結到一個多路復用器和一個觸發器寄存器以支持時序電路。同樣，許多 LUT 可用於創建複雜的功能。閱讀我們的FPGA 博客以了解有關其架構的更多信息。
FPGA 更適合嵌入式應用，並且比 CPU 和 GPU 使用的功率更低。這些電路不受 GPU 等設計的限制，可用於定製數據類型。此外，FPGA 的可編程性使得修改它們以解決安全問題變得更加簡單。
使用 FPGA 的優勢
- 高效節能
藉助 FPGA，設計人員可以精確調整硬體以滿足應用程式的要求。憑藉其低功耗能力，可以最大限度地降低 AI 和 ML 應用程式的整體功耗。這可以延長設備的使用壽命並降低培訓的總體成本。
- 易於靈活
FPGA 為處理AI/ML 應用程式提供了可編程性的靈活性。可以根據需要對一個單獨的塊或整個塊進行編程。
- 減少延遲
FPGA 擅長處理短批處理短語並減少延遲。減少延遲是指計算系統以最小延遲響應的能力。這在視頻監控、視頻預處理和後處理以及文本識別等實時數據處理應用中至關重要，在這些應用中，每一微秒都至關重要。因為它們在沒有作業系統的裸機環境中運行，所以 FPGA 和 ASIC 比 GPU 更快。
- 並行處理
FPGA 的操作和能源效率由於它們能夠同時執行多項任務甚至指定設備的特定部分用於特定功能而得到顯著提高。少量分布式內存包含在 FPGA 特殊架構的結構中，使它們更接近處理器。
GPU概述
圖形處理單元 (GPU) 的最初目的是創建計算機圖形和虛擬實境環境，這些環境依賴於複雜的計算和浮點功能來渲染幾何對象。沒有它們，現代人工智慧基礎設施將不完整，並且非常適合深度學習過程。
人工智慧需要大量數據來研究和學習才能取得成功。要運行人工智慧算法並移動大量數據，需要大量的計算能力。GPU 可以執行這些任務，因為它們的創建是為了快速處理生成圖形和視頻所需的大量數據。它們在機器學習和人工智慧應用中的廣泛使用部分歸功於它們的高計算能力。
GPU 可以同時處理多項計算。因此，可以分布式訓練程序，從而大大加快機器學習活動。使用 GPU，您可以添加多個資源需求較低的內核，而不會影響性能或功率。市場上有各種類型的 GPU，通常分為以下幾類，例如數據中心 GPU、消費級 GPU 和企業級 GPU。
使用 GPU 的優勢
- 內存帶寬
GPU 具有良好的內存帶寬，因此在深度學習應用程式中它們往往可以快速執行計算。在大型數據集上訓練模型時，GPU 消耗的內存更少。憑藉高達 750GB 的內存帶寬，它們可以真正加速 AI 算法的快速處理。
- 多核
通常，GPU 由許多可以組合在一起的處理器集群組成。這使得可以極大地提高系統的處理能力，特別是對於具有並行數據輸入、卷積神經網絡 (CNN) 和 ML 算法訓練的 AI 應用程式。
- 靈活性
由於 GPU 的並行能力，您可以將 GPU 分組到集群中並在這些集群之間分配作業。另一種選擇是使用具有專用集群的單個 GPU 來訓練特定算法。具有高數據吞吐量的 GPU 可以並行地對許多數據點執行相同的操作，從而使它們能夠以無與倫比的速度處理大量數據。
- 數據集大小
對於模型訓練，AI 算法需要大量數據集，這會導致內存密集型計算。GPU 是高效處理具有許多大於 100GB 的數據點的數據集的最佳選擇之一。自並行處理開始以來，它們提供了有效處理基本相同或非結構化數據所需的原始計算能力。
運行 AI 應用程式的兩個主要硬體選擇是 FPGA 和 GPU。儘管 GPU 可以處理 AI 和深度學習所需的海量數據，但它們在能效、熱問題、耐用性以及使用新 AI 算法更新應用程式的能力方面存在局限性。FPGA 為神經網絡和 ML 應用程式提供了顯著優勢。這些包括易於 AI 算法更新、可用性、耐用性和能源效率。
此外，在為 FPGA 創建軟體方面取得了重大進展，這使得編譯和編程變得更加簡單。為了讓您的 AI 應用程式取得成功，您必須調查您的硬體可能性。正如所說，在確定行動方案之前，請仔細權衡您的選擇。
Softnautics AI/ML 專家在為各種邊緣平台（包括 CPU、GPU、TPU 和神經網絡編譯器）創建高效機器學習解決方案方面擁有豐富的專業知識。我們還通過結合最佳設計方法和適當的技術棧，提供安全的嵌入式系統開發和 FPGA 設計服務。我們幫助企業跨各種平台構建高性能雲和基於邊緣的 AI/ML 解決方案，例如關鍵短語/語音命令檢測、面部/手勢識別、物體/車道檢測、人員計數等。