论Kirin 970的人工智能NPU的工作原理

日前，美国知名科技媒体Android Authority主笔Gary Sims对麒麟970进行了深度解读，讲述了麒麟970的人工智能NPU的工作原理，对芯片设计的深远影响，以及为用户使用场景带来的跨越式体验。

“神经网络(Neural Networks)”和“机器学习(Machine Learning)”是近两年移动处理器领域最流行的两个词。华为麒麟970的NPU(神经网络处理器)、Google Pixel 2内置的IPU(图像处理器)，以及苹果A11 Bionic，都是实现上述功能特性的专用硬件解决方案。

既然华为、Google和苹果都在都在探索神经引擎处理器，你可能以为机器学习需要特定的硬件。其实不然，神经网络可以在任何形式的处理器上运行，从微处理器到CPU、GPU甚至是DSP。

所以，问题的根本不在于处理器是否能利用神经神经网络和机器学习，而在于它到底有多快，能提升多少效率。

如果时间倒退回30年前，当年的桌面处理器是没有的FPU(浮点运算单元)芯片的，在486之后，Intel把FPU集成到了CPU内部，浮点运算性能大幅提升。而在很多实例计算中，全都是浮点数运算。这样以来，有FPU和没有FPU，运算效率天差之别。

而如今，移动处理器中的NPU也是类似的情况。你可能觉得我们并不需要NPU，就能使用神经网络，但实时情况是，华为正在用事实案例证明，当遇到实时处理运算的情况，NPU是必须的。

简单来说，“神经网络”可以理解为“机器学习”中“教”一台机器区别分辨不同“事物”的一系列技术中的一种。上述“事物”可以是一张照片、一个单词甚至是一种动物的声音，诸如此类。

“神经网络”由很多“神经元”组成，这些“神经元”可以接收输入信号，然后通过网络再向外传播信号，这取决于输入的强度和自身阈值。

举个简单的例子，神经网络正在监测一组灯其中一个的开关，但在网络中，这些灯的状态只能0或者1来表达，但不同的灯可能会出现一样的开关状态。

那么问题来了，神经网络怎么知道是该输出0还是该输出1呢?没有规则或者程序能告诉神经网络，输出我们想得到的逻辑答案。

唯一的方面就是对神经网络进行训练。大量的“样本”和预期结果一起被注入到神经网络中，各种各样的阈值反复微调，不断产生接近预期的结果。这个阶段可以称为“训练阶段”。

这听起来很简单，但实际上相当复杂，尤其是遇到语言、图像这种复杂样本的时候。一旦训练达成，神经网络会自动学会输出预期结果，即便输入的“样本”之前从来没有见过。

神经网络训练成功后，本质上就成了一种静态神经网络模型，它就能应用在数以百万计的设备上用于推理，在CPU、GPU甚至是DSP上运行。这个阶段可以称为“推理阶段”。

Gary Sims指出，“推理阶段”的难度要低于“训练阶段”，而这正是NPU发挥专长的地方。

所以，华为麒麟970最大的不同是，专门设置了NPU硬件芯片，它在处理静态神经网络模型方面有得天独厚的优势，不仅更快，还更有效率。事实上，NPU甚至能以17-33fps实时处理智能手机摄像头拍摄的“直播”视频。

从架构来看，麒麟970像是一台“发电站”，内置8颗CPU和12颗GPU，另有移动网络连接以及多媒体处理模块，晶体管规模达到了史无前例的55亿颗。据华为透露，NPU大约内含1.5亿晶体管，不到整个芯片的3%。

这对于一款移动处理器来说尤为重要。首先，NPU的加入不会明显增大处理器的尺寸、成本，这就意味着，NPU不仅能放入旗舰手机，一些中端手机也能适用。在未来5年，NPU将对Soc设计产生深远影响。

其次是功耗和效率。NPU并非“电老虎”会牺牲手机的续航，相反它能高效的帮CPU承担大量推理运算的任务，反而能节省不少功耗。

在最后的总结中，Gary Sims表示，如果华为能吸引更多第三方App开发者使用NPU，其前景不可限量。想象一下，当App在使用图像、声音、语音识别的时候，全部都能本地处理，不再需要网络连接或者云服务，App的使用体验将大大提升和加强。