AI芯片：清华大学可重构混合神经网络处理器结构分析

清华大学微纳电子系的尹首一等人于2018年发表论文《A 1.06-to-5.09 TOPS/W Reconfigurable Hybrid-Neural-Network Processor for Deep Learning Applications 》，介绍了他们的面向深度学习人工智能算法的AI芯片架构及性能参数。

这是大学的AI芯片，代表了学术界的一种想法。

下面分析一下其内部结构。当然，主要还是看其内部乘加逻辑的设计。

（所有图片来自论文截图）

1、整体逻辑架构

这款AI芯片的整体逻辑架构如下图2所示。

可以看出，内部采用了2个PE阵列，其实就是2个脉动阵列，与谷歌的TPU比较像。不过，这里的脉动阵列的行为比较复杂，与谷歌TPU的脉动阵列并不相同。
这里的每个PE阵列可以最多配置成四个子阵列。

整体来说，权重存储在一个buffer中，data存储在另外一个buffer中，思路与寒武纪的DianNao、英伟达的NVDLA、谷歌的TPU等主流AI芯片一致。
既然是脉动阵列，自然要重复利用数据和权重。
论文提到，同一行的PE共享数据，同一列的PE共享权重。

奇怪的是，除了有个脉动阵列外，没有其他的**、BN、add、pooling等模块。
仔细一看，原来这些功能都放在了PE中。
下面来看看PE的结构。

2、PE

PE的结构图如下图所示。

PE比较复杂呀。
首先PE要分2种，一种是普通PE，一种是super PE。
普通PE，只执行卷积和全连接。
super PE，只存在于最下面，执行包括pooling，**，以及乘法，加法等RNN中的操作。

这么多PE，每个PE又这么复杂，那如何一起工作的？
下面来看看论文给的例子。

3、配置PE，计算LRCN

图5给出了两种计算的数据流程图。
分别为：
（1）CNN -> FC -> RNN
（2）Conv -> pool -> FCN/RNN

可以看出，计算卷积，全连接，pooling，RNN的特殊操作等，可以配置不同数量的PE，灵活处理，最大化提升效率。

下面再看看这样设计带来的性能提升。

4、性能比较

清华的这款AI芯片的实际频率是200MHz。
可以看出，在与另外2款芯片比较时，清华的吞吐量几乎是其他的6倍，能效也更好。
还是非常不错的设计。

5、总结

整体来看，这个AI芯片的结构，利用了脉动阵列的优点，大量复用数据和权重，又结合了可重构的思路，使得PE资源灵活配置，最大限度提升效率。

不过，可以看出，与谷歌TPU比较，这里的PE结构非常复杂，内部path走线非常多，另外一些资源的分配有欠缺，比如每个普通PE中只有relu**，没有其他的**函数，那么当卷积需要别的**函数，怎么办？还能高效处理么？
特殊的**函数，目前只有super PE中有，这也限制了PE资源的配置及效率。
假如，卷积用的**是特殊**函数，那么，就只有最下面的PE才能完成正确的**，这样，岂不是又限制了计算速度？

存疑。