通用處理器的歷史和發展 通用處理器是否可行？

編者按

隨著ChatGPT的火爆，AGI（Artificial General Intelligence，通用人工智能）逐漸看到了爆發的曙光。短短一個月的時間，所有的巨頭都快速反應，在AGI領域“重金投入，不計代價”。

AGI是基于大模型的通用智能；相對的，之前的各種基于中小模型的、用于特定應用場景的智能可以稱之為專用智能。

那么，我們可以回歸到一個大家經常討論的話題：向左（專用）還是向右（通用）？在芯片領域，大家針對特定的場景開發了很多專用的芯片。是否可以類似AGI的發展，開發足夠通用的芯片，既能夠覆蓋幾乎所有場景，還能夠功能和性能極度強大？

1 AGI發展綜述

1.1 AGI的概念

AGI通用人工智能，也稱強人工智能（Strong AI），指的是具備與人類同等甚至超越人類的智能，能表現出正常人類所具有的所有智能行為。

ChatGPT是大模型發展量變到質變的結果，ChatGPT具備了一定的AGI能力。隨著ChatGPT的成功，AGI已經成為全球競爭的焦點。

與基于大模型發展的AGI對應的，傳統的基于中小模型的人工智能，也可以稱為弱人工智能。它聚焦某個相對具體的業務方面，采用相對中小參數規模的模型，中小規模的數據集，然后實現相對確定、相對簡單的人工智能場景應用。

1.2 AGI特征之一：涌現

“涌現”，并不是一個新概念。凱文·凱利在他的《失控》中就提到了“涌現”，這里的“涌現”，指的是眾多個體的集合會涌現出超越個體特征的某些更高級的特征。

在大模型領域，“涌現”指的是，當模型參數突破某個規模時，性能顯著提升，并且表現出讓人驚艷的、意想不到的能力，比如語言理解能力、生成能力、邏輯推理能力等等。

對外行（比如作者自己）來說，涌現能力，可以簡單的用“量變引起質變”來解釋：隨著模型參數的不斷增加，終于突破了某個臨界值，從而引起了質的變化，讓大模型產生了許多更加強大的、新的能力。

如果想詳細了解大模型“涌現”能力的詳細分析，可以參閱谷歌的論文《Emergent Abilities of Large Language Models》。

當然，目前，大模型發展還是非常新的領域，對“涌現”能力的看法，也有不同的聲音。例如斯坦福大學的研究者對大語言模型“涌現”能力的說法提出了質疑，認為其是人為選擇度量方式的結果。詳見論文《Are Emergent Abilities of Large Language Models a Mirage?》。

1.3 AGI特征之二：多模態

每一種信息的來源或者形式，都可以稱為一種模態。例如，人有觸覺、聽覺、視覺等；信息的媒介有文字、圖像、語音、視頻等；各種類型的傳感器，如攝像頭、雷達、激光雷達等。多模態，顧名思義，即從多個模態表達或感知事物。而多模態機器學習，指的是從多種模態的數據中學習并且提升自身的算法。

傳統的中小規模AI模型，基本都是單模態的。比如專門研究語言識別、視頻分析、圖形識別以及文本分析等單個模態的算法模型。

基于Transformer的chatGPT出現之后，之后的AI大模型基本上都逐漸實現了對多模態的支持：

首先，可以通過文本、圖像、語音、視頻等多模態的數據學習；

并且，基于其中一個模態學習到的能力，可以應用在另一個模態的推理；

此外，不同模態數據學習到的能力還會融合，形成一些超出單個模態學習能力的新的能力。

多模態的劃分是我們人為進行劃分的，多種模態的數據里包含的信息，都可以被AGI統一理解，并轉換成模型的能力。在中小模型中，我們人為割裂了很多信息，從而限制的AI算法的智能能力（此外，模型的參數規模和模型架構，也對智能能力有很大影響）。

1.4 AGI特征之三：通用性

從2012年深度學習走入我們的視野，用于各類特定應用場景的AI模型就如雨后春筍般的出現。比如車牌識別、人臉識別、語音識別等等，也包括一些綜合性的場景，比如自動駕駛、元宇宙場景等。每個場景都有不同的模型，并且同一個場景，還有很多公司開發的各種算法和架構各異的模型?？梢哉f，這一時期的AI模型，是極度碎片化的。

而從GPT開始，讓大家看到了通用AI的曙光。最理想的AI模型：可以輸入任何形式、任何場景的訓練數據，可以學習到幾乎“所有”的能力，可以做任何需要做的決策。當然，最關鍵的，基于大模型的AGI的智能能力遠高于傳統的用于特定場合的AI中小模型。? ?

完全通用的AI出現以后，一方面我們可以推而廣之，實現AGI+各種場景；另一方面，由于算法逐漸確定，也給了AI加速持續優化的空間，從而可以持續不斷的優化AI算力。算力持續提升，反過來又會推動模型向更大規模參數演進升級。

2 專用和通用的關系

牧本波動（Makimoto's Wave）是一個與摩爾定律類似的電子行業發展規律，它認為集成電路有規律的在“通用”和“專用”之間變化，循環周期大約為10年。也因此，芯片行業的很多人認為，“通用”和“專用”是對等的，是一個天平的兩邊。設計研發的產品，偏向通用或偏向專用，是基于客戶場景需求，對產品實現的權衡。

但從AGI的發展來看，基于大模型的AGI和傳統的基于中小模型的專用人工智能相比，并不是對等的兩端左右權衡的問題，而是從低級智能升級到高級智能的問題。我們再用這個觀點重新來審視一下計算芯片的發展歷史：

專用集成電路ASIC是貫穿集成電路發展的一直存在的一種芯片架構形態；

在CPU出現之前，幾乎所有的芯片都是ASIC；但在CPU出現之后，CPU迅速的取得了芯片的主導地位；CPU的ISA包含的是加減乘除等最基本的指令，也因此CPU是完全通用的處理器。

GPU最開始的定位是專用的圖形處理器；自從GPU改造成了定位并行計算平臺的GP-GPU之后，輔以幫助用戶開發的CUDA的加持，從而成就了GPU在異構時代的王者地位。

隨著系統復雜度的增加，不同客戶系統的差異性和客戶系統的快速迭代，ASIC架構的芯片，越來越不適合。行業逐漸興起了DSA的浪潮，DSA可以理解成ASIC向通用可編程能力的一個回調，DSA是具有一定編程能力的ASIC。ASIC面向具體場景和固化的業務邏輯，而DSA則面向一個領域的多種場景，其業務邏輯部分可編程。即便如此，在AI這種對性能極度敏感的場景，相比GPU，AI-DSA都不夠成功，本質原因就在于AI場景快速變化，但AI-DSA芯片迭代周期過長。

從長期發展的角度看，專用芯片的發展，是在給通用芯片探路。通用芯片，會從各類專用計算中析取出更加本質的足夠通用的計算指令或事務，然后把之融合到通用芯片的設計中去。比如：

CPU完全通用，但性能較弱，所以就通過向量和張量等協處理器的方式，實現硬件加速和性能提升。

CPU的加速能力有限，于是出現了GPU。GPU是通用并行加速平臺。GPU仍然不是性能最高的加速方式，也因此，出現了Tensor Core加速的方式。

Tensor Core的方式，仍然沒有完全釋放計算的性能。于是，完全獨立的DSA處理器出現。

智能手機是通用和專用的一個經典案例：在智能手機出現之前，各種各樣的手持設備，琳瑯滿目；智能手機出現之后，這些功能專用的設備，就逐漸消失在歷史長河中。

通用和專用，并不是，供設計者權衡的，對等的兩個方面；從專用到通用，是低級到高級的過程。短期來看，通用和專用是交替前行；但從更長期的發展來看，專用是暫時的，通用是永恒的。

3 通用處理器是否可行？

CPU是通用的處理器，但隨著摩爾定律失效，CPU已經難堪大用。于是，又開始了一輪專用芯片設計的大潮：2017年，圖靈獎獲得者John Hennessy和David Patterson就提出“體系結構的黃金年代”，認為未來一定時期，是專有處理器DSA發展的重大機會。

但這5-6年的實踐證明，以DSA為代表的專用芯片黃金年代的成色不足。反而在AI大模型的加持之下，成就了通用GPU的黃金年代。

當然，GPU也并不完美：GPU的性能即將，如CPU一樣，到達上限。目前，支持GPT大模型的GPU集群需要上萬顆GPU處理器，一方面整個集群的效率低下，另一方面集群的建設和運行成本都非常的高昂。

是否可以設計更加優化的處理器，既具有通用處理器的特征，盡可能的“放之四海而皆準”，又可以更高效率更高性能？這里我們給一些觀點：

我們可以把計算機上運行的系統拆分為若干個工作任務，如一些軟件進程或相近軟件進程的組合可以看做是一個工作任務；

廣泛存在的二八定律：系統中的工作任務，并不是完全隨機的，很多工作業務是相對確定的，比如虛擬化、網絡、存儲、安全、數據庫、文件系統，甚至人工智能推理，等等；并且，即使應用層的比較隨機的計算任務，仍然會包含大量確定性的計算成分，例如一些應用包含安全、視頻圖形處理、人工智能等相對確定的計算部分。

我們把處理器（引擎）按照性能效率和靈活性能力，簡單的分為三個類型：CPU、GPU和DSA。

類似“塔防游戲”，依據二八定律，把80%的計算任務交給DSA完成，把16%的工作任務交給GPU來完成，CPU負責剩余4%的其他工作。CPU很重要的工作是兜底。

依據性能/靈活性的特征，匹配到最合適的處理器計算引擎，可以在實現足夠通用的情況下，實現最極致的性能。

4 通用處理器的歷史和發展

如果我們以通用計算為準，計算架構的演進，可以簡單的劃分為三個階段，即從同構走向超異構，再持續不斷的走向超異構：

第一代通用計算：CPU同構。

第二代通用計算：CPU+GPU異構。

第三代（新一代）通用計算：CPU+GPU+DSAs的超異構。

4.1 第一代通用計算：CPU同構

Intel發明了CPU，這是第一代的通用計算。第一代通用計算，成就了Intel在2000前后持續近30年的霸主地位。

CPU標量計算的性能非常弱，也因此，CPU逐漸引入向量指令集處理的AVX協處理器以及矩陣指令集的AMX協處理器等復雜指令集，不斷的優化CPU的性能和計算效率，不斷的拓展CPU的生存空間。

4.2 第二代通用計算：CPU+GPU異構

CPU協處理器的做法，本身受CPU原有架構的約束，其性能存在上限。在一些相對較小規模的加速計算場景，勉強可用。但在AI等大規模加速計算場景，因為其性能上限較低并且性能效率不高，不是很合適。因此，需要完全獨立的、更加重量的加速處理器。

GPU是通用并行計算平臺，是最典型的加速處理器。GPU計算需要有Host CPU來控制和協同，因此具體的實現形態是CPU+GPU的異構計算架構。

NVIDIA發明了GP-GPU，以及提供了CUDA框架，促進了第二代通用計算的廣泛應用。隨著AI深度學習和大模型的發展，GPU成為最炙手可熱的硬件平臺，也成就了NVIDIA萬億市值（超過Intel、AMD和高通等芯片巨頭的市值總和）。

當然，GPU內部的數以千計的CUDA core，本質上是更高效的CPU小核，因此，其性能效率仍然存在上升的空間。于是，NVIDIA開發了Tensor加速核心來進一步優化張量計算的性能和效率。

4.3 第三代（面向未來的）通用計算：CPU+GPU+DSAs超異構

技術發展，永無止境。第三代通用計算，即多種異構融合的超異構計算，面向未來更大算力需求場景的挑戰：

首先，有三個層次的獨立處理引擎。即CPU、GPU和DSA。（相應的，第一代CPU只有一個，第二代異構計算有兩個。）

多種加速處理引擎，都是和CPU組成CPU+XPU的異構計算架構。

超異構不是簡單的多種異構計算的集成，而是多種異構計算系統的，從軟件到硬件層次的，深度融合。

超異構計算，要想成功，必須要實現足夠好的通用性。如果不考慮通用性，超異構架構里的相比以往更多的計算引擎，會使得架構碎片化問題更加嚴重。軟件人員無所適從，超異構就不會成功。

編輯：黃飛

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