智慧手機的神經網路處理器時代 - CTIMES

但依據高通自己的說法，高通的Hexagon DSP 的神經網路執行性能，相比在CPU上執行，能快出5至8倍。

聯發科曦力處理器加入NeuroPilot與APU技術. 台灣的 ...    │智動化SmartAuto│科技論壇│新品中心│影音頻道│出版中心│FB服務│ v3.05.2048.165.22.59.181 帳號： 密碼： 註冊 忘記密碼 新聞 最新新聞 ST推出50萬像素ToF感測器強化智慧型手機3D深度成像 中國AR/VR趨勢轉變突顯智能眼鏡對3D列印鏡片強大需求 Sophos任命ChadCleevely擔任APJ通路銷售總監 高通、BMW與Arriver將合作開發自動駕駛軟體解決方案 宜鼎提升DDR5記憶體模組效能導入商用工作站電腦市場 ImaginationIMGIC整合瑞昱SoC推出數位電視解決方案 產業新訊 大聯大詮鼎推出基於高通QCC3056晶片之LEAudio方案 AMD推出MacPro適用RadeonPROW6600XGPU ST推出MEMS感測器添加靜電感測和機器學習迎接Onlife時代 格羅方德推新一代矽光解決方案並強化業界合作 英飛凌EiceDRIVERF3增強型系列閘極驅動器提供全面短路保護 BureauVeritas協助推行ISASecureISA/IEC62443全球網絡安全符合性計畫 社論 [評析]改變產業生態或社會氛圍先從自己開始 [評析]沒有退路的FPGA與晶圓代工業者 [回應李開復]創業前輩，請鋪路！ [分析]以低成本UHDTV打開市場 [評析]台灣新定位：與全球創客接軌 最強3D/CNC成形機進駐南分院，請來試試！ 單元 專題報導 引領新世代微控制器的開發與應用:MCC與CIP 最新一代DSC在數位電源的應用 Cadence轉型有成CDNLive2014展現全方位實力 Thread切入家用物聯網的優勢探討 家庭能源管理廠商經營模式分析－PassivSystems 網通無縫接軌智慧家庭才有搞頭 Googlevs.Apple智慧家庭再定位 教室照明環境設計實務與應用 焦點議題 協助企業強化智財營運管理工業局表揚TIPS驗證企業 9月漢諾威EMO登場台灣工具機勇於突圍 迎接5G時代回溫熱潮勤業眾信預測2019高科技趨勢 國際防避稅風起企業顧無形資產 紡織業邁向智慧化四年一度紡織暨製衣機械展南港登場 拒絕衝突礦產你可以有更好的選擇：回收 台灣太陽能產業仍在等待更健康的市場 大陸運動控制市場後勢可期 產業評析 發布DX推動指標日本階段性推動企業落實數位轉型 MIC：PC、電動車與元宇宙趨勢席捲CES2022 數位轉型之路：歐盟加速綠色與數位雙重轉型 [評析]我們要如何看Cypress與Spansion的聯姻？ [評析]高通併購CSR的後續發展？ [評析]無能為力的三星下一步將何去何從？ [評析]擁抱世界台灣就不是巴西 嵌入式軟體與系統發展週期的重大演進 TechReview Benedetto：用感測器打造無限可能 Imagination：新IP生態系統全面啟動 JeffKodosky：改變世界的力量就在我手中！ 安捷倫：量測儀器彈性化一步一腳印 無線時代來臨Wi-Fi因開放而壯大 Fairchild：穩健步伐下，作到創新 劍揚：堅持走在自己的道路上 科技業揭露Lattice保維持競爭力的三項關鍵 CTIMESPeople ChangeTheWorld 3D印表機的鐵三角成功之道 無人工廠興起有利產業長期發展 群眾集資點燃微創業火種 量子電腦就要來了!? 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這個念頭並不是神來一筆，而是觀察到人類的腦神經在處理視覺、聽覺和語言方面，有非常卓越的表現。

這種參考人類神經元結構所產生的資料處理程序，被稱為「類神經網路」或者「人工神經網路（ArtificialNeuralNetwork，ANN）」，它就是一種模仿生物神經網路結構和功能的數學模型的演算法。

ANN技術其實已問世超過50年，且不斷的進行改良和突破，例如卷積類神經網路（ConvolutionalNeuralNetworks，CNN）就是相當著名的一支，由於它的結構簡單易用，因此發展迅速，並被廣泛的運用在大型圖像的處理上。

到了近幾年，隨著晶片技術的突破和人工智慧應用的崛起，讓神經網路技術又進一步受到重視。

目前主要的推力則是機器學習（MachineLearning），它是人工智慧的基礎所在，而機器學習的核心是基於神經網路的多層資料處理技術的「深度神經網路（DeepNeuralNetwork）」，也因此，想辦法來提升神經網路資料處理的效能，就成了目前各家終端產品設計的突破點。

而眼前，最火熱的戰場，就是智慧型手機。

神經網路智慧手機的新賣點 神經網路運算有多項優勢，包含平行處理、內容定址記憶、容錯特性、能處理一般演算法難以勝任的問題等，因此很適合運用在經常需要處理非常複雜的任務的應用上，而手機就是一個這樣的產品。

智慧手機是當代人們每天都要隨身的電子裝置，它不僅時時要能連線上網，而且經常會同時開啟多個App軟體，影像和語音的處理更是家常便飯。

而隨著人工智慧功能的導入，更讓手機功能的優化與執行變得複雜，此時，神經網路技術就成了最好的解決方案之一。

由於神經網路技術具有自我學習的能力，能學習使用者的操作特性，並設定出一個最佳的輸入和輸出的路徑。

因此一旦學習完成之後，後續的各項操作皆能相對以往的軟體程序快上不少，對於使用者體驗有大幅的改善。

目前主要的手機處理晶片供應商也已經在其解決方案中，加入了神經網路處理器的技術。

蘋果Bionic處理器加入神經網路引擎 蘋果的iPhone就是最著名的產品。

蘋果在2017年的iPhoneA11Bionic處理器上首度加入了神經網路處理引擎（NeuralEngine）的技術。

根據蘋果的資料，這個神經網路引擎是一個雙核的設計，每秒運算次數最高可達6000億 次，能大幅提升機器學習的效能。

圖一:蘋果最新的A12處理器，神經網路引擎的核心數已達8個。

（source:Apple） 而實際的使用情形也證實蘋果所言不假，神經網路處理技術的的確確讓機器學習有了脫胎換骨的表現。

也因此，蘋果最新一代的處理器A12更進一步增強了神經網路處理單元的性能，更正確的說，是增加了4倍。

在硬體設計上，蘋果的神經網路引擎是透過一塊FPGA區域來達成，因此在機器學習性能上有很強的自定義能力。

而在最新使用7奈米製程的A12處理器上，神經網路引擎的核心數已達8個（A11是雙核），且每秒可進行5萬億次運算（約8.33倍），至於執行CoreML的速度則是上一代的9倍，但功耗卻只有前代的十分之一。

圖二:各家晶片商的神經網路運算技術比較。

也因為如此，採用A12處理器的iPhone學習能力驚人，除了能快速甚至即時的運行各項應用程式外，更能夠迅速的辨認模式並做出預測，且不斷的進行改良，堪稱是當代最聰明的智慧型手機。

也由於新的處理器，iPhone在智慧語音和影像辨識的能力有了絕倫的表現。

高通驍龍NPE技術以DSP突破運算性能 神經網路技術的優勢明顯，各家手機處理器晶片商當然也就陸續投入相關的技術研發，高通（Qualcomm）就是其中一個。

旗下的驍龍（Snapdragon）處理器就已經搭載了神經網路處理引擎（NeuralProcessingEngine;NPE）技術。

圖三:高通HexagonDSP神經網路執行性能，相比在CPU上執行，能快出5至8倍。

（source:高通） 根據高通的資料，驍龍的NPE是一種整合了多種軟硬體的元件，用來加速終端裝置上（on-device）的AI功能，以改善使用者的體驗，但原則上，高通的NPE是以軟體為中心（software-centric）的解決方案。

而在軟體架構上，高通的NPE是屬於開放的架構，能支援多種神經網路的框架，包含Tensorflow、Caffe、Caffe2和ONNX，此外，高通也開發了自有的HexagonNeuralNetwork（NN）函式庫，讓開發者可以讓其AI演算法在驍龍處理器裡的HexagonDSP上執行。

而在最新一代的驍龍處理器855上，NPE已經發展到了第四代，其效能已較第三代有3倍的成長，可對影像、影音、AR/VR與遊戲等智慧功能進一步優化。

只不過高通並沒有具體的說明其NPE的技術細節，硬體的架構也不得而知，也沒有解釋為何是在DSP上運行。

但依據高通自己的說法，高通的HexagonDSP的神經網路執行性能，相比在CPU上執行，能快出5至8倍。

聯發科曦力處理器加入NeuroPilot與APU技術 台灣的聯發科技（MediaTek）當然也看到了人工智慧在行動裝置上的應用商機，自2018年初起，就推出了NeuroPilot的技術，並將之首次運用在其手機處理平台曦力P60上。

根據聯發科的說法，NeuroPilot是基於他們的核心監控與調節技術CorePilot的進階版。

CorePilot在2014年就已經被開發出來，其主要作用就是動態監控手機多核處理器的每個核心的工作負載量，並加調節和分配，以提高手機運行的性能並降低電耗。

到了人工智慧時代，聯發科也順勢推出了APU技術，並運用在CorePilot所積累的異構運算經驗，推出了NeuroPilot平台，作為CPU、GPU和APU間的運作協調，以提升整體的AI運算效能。

NeuroPilot平台約可分為三個層級，頂層是各種APP應用程式；中間層為程序編寫和異構運算（軟體層）；最底層是各種硬體處理器。

而其中最關鍵的就是中間的軟體層。

聯發科指出，中間層主要由演算法軟體構成，包括各種軟體的API、神經網絡運行（NNRuntime）、異構運行（HeterogeneousRuntime）。

簡單來說，就是所謂的人工智慧的運行架構（AIframewrok），以及神經網路的演算法。

而聯發科的NeuroPilot也是屬於開放式的架構，支援目前市面上主流的AIframework，包含TensorFlow、TFLite、Caffe、Caffe2、AmazonMXNet、SonyNNabla和ONNX等。

聯發科也提供NeuroPilotSDK，其包含Google神經網路API（AndroidNNAPI）和聯發科NeuroPilot擴充元件。

圖四:NeuroPilot平台可分為三個層級，中間層為程序編寫和異構運算，是最關鍵的一層。

（source:聯發科） 而在硬體方面，除了原本的CPU、GPU外，則是增加了新的人工智慧處理器APU，用來提高人工智慧應用和神經網路處理的校能。

在最新一款的旗艦處理器P90上，聯發科的APU已升級至2.0版本，比前一代快上四倍，算力達1127GMACs（電腦定點處理能力的量）。

中國海思攜手寒武紀主攻NPU技術 中國華為旗下的海思半導體（HiSilicon），是手機處理器市場一家快速崛起的IC設計公司，目前屢屢在技術上有領先業界表現。

該公司在2017年九月就率先發表了一款採用10奈米製程的智慧手機處理器－麒麟（Kirin）970，該處理器是產界首款具有人工智慧神經處理元件（NPU）的手機處理晶片。

海思的NPU同樣是屬於AI應用程式的加速處理單元，也就是針對神經網路演算法的處理，特別專注於卷積神經網路（CNN）的應用。

根據海思的說法，在相簿模式中，Kirin970的NPU每秒能處理2,000張照片的處理；若沒有NPU介入，單以處理器運算只能處理約100張而已。

圖五:最新一代的Kirin980處理器，其NPU核心數已增加至兩個。

（source:海思） 據了解，Kirin970的NPU，是由中國的晶片IP商寒武紀（Cambri0con）所提供，並由海思與寒武紀共同合作進行優化的一個模組。

而最新一代的Kirin980處理器，其NPU核心數已增加至兩個。

根據華為的資料，雙核NPU的性能可達到每分鐘處理4,500張圖像，較前一代提升了120%的辨識速度。

可以快速執行人臉識別，物體偵測與辨識，物體識別，影像分割和智慧辨識等人工智慧的應用。

AI需求成形處理器IP商也加入戰場 由於神經網路的性能卓越，因此除了IC設計商積極投入研發外，處理器IP供應商自然也開始跨入此一領域，包含前段所提到的中國寒武紀之外，以色列的IP商CEVA也開始提供具備神經網路技術的IP方案。

CEVA近期所發表的WhisPro就是一款基於神經網路技術的智慧語音辨識方案，它採用了可擴展遞迴神經網路（RecurrentNeuralNetwork）技術，可同時辨識多個觸發片語，能運用在智慧手機、智慧音箱、藍牙耳機和其他語音設備中。

然而有趣的是，雖然神經處器技術的勢頭已經竄起，但處理器IP的龍頭Arm卻是動作緩慢，到目前為止，仍未提供任何的神經網路解決方案。

雖然Arm也看好人工智慧的應用市場，但就是遲遲未把具體的產品曝光。

而依據Arm的時程，最快今年第一季才會推出具備人工智慧功能的AI處理器－ArmMLCPU。

根據Arm的說明，ArmML處理器也會是一個系列產品，提供多種規格給不同的應用產品，性能範圍是1至4TOP/s，可滿足不同的產品需求，包含智慧手機、智慧手機、智慧家居和汽車等。

Arm指出，其ML處理器主要有三個部分，一個是MAC引擎，主要是執行卷積雲神經網路的運算；第二是可程式的運算引擎，可以支援未來新的運算元和網路；第三是資料管理，用來降低AI運算的功耗。

雖然推出的時間晚了，但Arm仍是自信滿滿，由於其處理器的生態系十分龐大且完整，要後來居上也可能是易如反掌。

「我們已經看到機器學習技術正在成熟，市場需求也正在不斷增加，我們認為現在是進入市場的最佳時機。

」Arm機器學習副總裁DennisLaudick說。

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