圖神經(jīng)網(wǎng)絡加速芯片進入倒計時，全球首款商用圖神經(jīng)網(wǎng)絡加速IP核正式發(fā)布

【2021年01月08日，北京】1月8日，在與中科院計算所和中科院計算所南研院的通力合作基礎上，北京中科睿芯科技集團有限公司(簡稱中科睿芯)正式發(fā)布了一款圖神經(jīng)網(wǎng)絡加速芯片的IP核(即制備芯片的知識產(chǎn)權核)，并宣布面向全球開展商用授權。據(jù)該團隊介紹，目前市場上尚無任何類似IP核可供授權。因此，該IP核是全球首款圖神經(jīng)網(wǎng)絡加速IP核，專注于高效加速圖神經(jīng)網(wǎng)絡的推斷階段。

適合圖神經(jīng)網(wǎng)絡的算力

此款圖神經(jīng)網(wǎng)絡加速IP核代號為“GCU Zero”，主要研究人員之一是中科院計算所特別研究助理嚴明玉博士，其畢業(yè)于中科院計算所，曾在美國加州大學圣巴巴拉分校 SEAL 實驗室訪學，主要從事圖計算和圖神經(jīng)網(wǎng)絡加速結構研究。嚴明玉介紹說，“Zero”寓意著團隊從0號“認知智能”芯片開始，期望實現(xiàn)機器與人類在智能上的“零差距”;“G”和”U”取圖處理單元(Graph Unit)之義，代表滿足圖神經(jīng)網(wǎng)絡特殊算力需求的計算單元，而“C”則表示計算單元賦予機器認知智能(Cognitive Intelligence)。

GCU Zero

Homosapiens系列

基于混合結構設計思想，GCU Zero分別為圖神經(jīng)網(wǎng)絡的兩個主要執(zhí)行階段——圖遍歷階段和神經(jīng)網(wǎng)絡變換階段設計相應的加速引擎，并流水兩個引擎的執(zhí)行。這一設計思路可匹配圖神經(jīng)網(wǎng)絡對算力的特殊要求，大幅提升圖神經(jīng)網(wǎng)絡的執(zhí)行效率。

例如，在為圖神經(jīng)網(wǎng)絡中的一個重要分支——圖卷積神經(jīng)網(wǎng)絡的執(zhí)行進行加速的過程中，GCU Zero可提供低延遲獨立執(zhí)行模式(低延遲模式)和高并發(fā)融合執(zhí)行模式(高并發(fā)模式)兩個工作模式，具有“四高三低四少”的優(yōu)點。

“四高”是指高可配性(面向不同應用場景配置不同執(zhí)行模式)、高可拓展性(可多個IP核互聯(lián)執(zhí)行更大規(guī)模的圖神經(jīng)網(wǎng)絡)、高并發(fā)(可數(shù)十個圖節(jié)點處理任務同時并發(fā)執(zhí)行)、高能效(比傳統(tǒng)處理器能效更高);“三低”是指在低延遲模式下，用所有資源共同執(zhí)行單個圖節(jié)點的處理任務，能實現(xiàn)低延遲、低開銷、低能耗;“四少”是指在高并發(fā)模式下，多個圖節(jié)點的處理任務同時執(zhí)行，并且兩個主要的階段可流水，能夠減少中間數(shù)據(jù)的計算和訪存，從而實現(xiàn)更少計算、更少訪存、更少功耗、更少運行時間。

開啟圖神經(jīng)網(wǎng)絡加速時代

圖神經(jīng)網(wǎng)絡被認為是推動“認知智能”發(fā)展強有力的推理方法，有望解決深度學習無法處理的關系推理、可解釋性等一系列問題，讓機器“能理解、會思考”。

不過，盡管目前在國際學術界已有團隊開展了基于圖神經(jīng)網(wǎng)絡加速的相關研究，工業(yè)界也有了基于圖神經(jīng)網(wǎng)絡的落地應用，但目前圖神經(jīng)網(wǎng)絡加速芯片在國際上還是一片“無人區(qū)”。

2020年初，嚴明玉博士在國際計算機體系結構頂會 HPCA 上發(fā)表了國際第一個圖神經(jīng)網(wǎng)絡的加速結構設計“HyGCN”。嚴明玉稱，GCN即圖卷積神經(jīng)網(wǎng)絡 (Graph Convolutional Network, GCN為其縮寫)，作為圖神經(jīng)網(wǎng)絡最重要的一個分支，GCN將深度學習算法和圖計算算法相融合，對搜索、推薦、風險控制在內的等諸多重要領域有著更優(yōu)的認知與問題處理等能力;HyGCN寓意向圖神經(jīng)網(wǎng)絡的加速說“Hi”，寓意圖神經(jīng)網(wǎng)絡加速的時代即將開啟。

完整芯片進入投片倒計時

“GCU Zero IP核是我們Homosapiens系列的首個IP。”嚴明玉博士透露，面向高性能和超高性能的圖神經(jīng)網(wǎng)絡訓練和推斷，Homosapiens系列在今明兩年陸續(xù)還會有新產(chǎn)品發(fā)布。

Homosapiens取自生物學上的“智人”，得益于高度發(fā)展的大腦帶來的推理與語言能力，智人最終在殘酷的生存競爭中成為萬物之靈。將圖神經(jīng)網(wǎng)絡系列芯片命名為Homosapiens，表明了研究團隊將“認知智能”賦予機器的信念和決心。

當前，人工智能正從由數(shù)據(jù)驅動的“感知智能”階段邁入由數(shù)據(jù)與知識雙驅動的“認知智能”階段。在“認知智能”階段，機器被期待獲得基于知識的邏輯推理能力。而圖神經(jīng)網(wǎng)絡技術的發(fā)展和應用就是關鍵之匙，其效果也在工業(yè)界已有的落地應用中得到了驗證。接下來，人們期待可直接用于圖神經(jīng)網(wǎng)絡計算的加速器件。

嚴明玉介紹，GCU Zero IP核在基于臺積電先進的12 nm制程工藝下，運行頻率可達1.2 GHz。在Reddit 數(shù)據(jù)集和GraphSage圖神經(jīng)網(wǎng)絡模型下，GCU Zero IP基于64 GB/s的片外存儲帶寬，在10毫秒內完成的圖節(jié)點處理任務數(shù)是英偉達最先進人工智能推理GPU TESLA T4的兩倍以上。他進一步透露，基于GCU Zero，該研究團隊設計了完整的芯片并計劃投片，將在今年第二季度搭載在中科睿芯“金剛”高通量計算機上。