6月20日，中星微“數字多媒體芯片技術”國家重點實驗室在北京宣布，中國首款嵌入式神經網絡處理器（NPU）芯片誕生。這款NPU芯片已經于今年3月6日實現量產。據國家重點實驗室執行主任張韻東介紹，NPU采用了“數據驅動并行計算”架構，顛覆了傳統的馮諾依曼計算機架構。

這款被命名為“星光智能一號”的芯片，蘊含了當前計算機領域最前沿的生物人腦神經網絡仿生學創新技術，且對嚴重依賴國外進口產品的中國集成電路產業來說，也是實現“彎道超車”的一次踴躍嘗試。它標志著我國在神經網絡處理器領域的研究和開發上取得了重大突破；使我國視頻監控行業發展由模擬時代、數字時代跨入智能時代。

這種數據流（Dataflow）類型的處理器，極大地提升了計算能力與功耗的比例，特別擅長處理視頻、圖像類的海量多媒體數據，使得人工智能在嵌入式機器視覺應用中可以大顯身手。張韻東透露，這款芯片目前已經成功在視頻監控領域實現產業化。

中星微展示了型號為VC0758的國內首款NPU芯片產品，VC0758內部集成四個NPU內核。據稱，這是全球首顆具備深度學習人工智能的嵌入式視頻采集壓縮編碼系統級芯片。VC0758也是率先支持國家自主標準（SVAC標準）的芯片產品。芯片集成了1080P@30fps的SVAC國家標準音視頻編解碼器，同時也可以支持H.264等其他視音頻編碼標準。這款芯片可以被應用于高清視頻監控、智能駕駛輔助、無人機、機器人等嵌入式機器視覺領域。

資料顯示，成立于1999年的中星微電子，承擔了國家戰略項目“星光中國芯”工程。2001年，中星微電子開發出了第一塊具有中國自主知識產權的圖像處理芯片“星光一號”，結束了中國無“芯”的歷史。

集成“大腦”的“眼睛”

“原來的視頻處理芯片只是相當于一只‘眼睛’。要把采集到的海量音視頻數據傳到后臺進行識別，再把結果通知給人，沒辦法做到實時分析。”擔任該國家重點實驗室執行主任的張韻東比喻說。而“星光智能一號”可以讓“眼睛”具備人腦的功能，將后臺的智能判斷提到了前端，可實時地識別更高級的智慧信息，如身份證號碼、車牌號、一個人是誰。

為了了解其對人臉的識別能力，一名男記者現場邀請長相跟他相像的一名工作人員一起“刷臉”。果然，在讀取身份證之后，攝像頭在不到1秒鐘的時間內就判斷出工作人員才是本人。

“星光智能一號”之所以能“看懂”這些信息，該實驗學術委員會主任楊曉東介紹說，是因為它集成了NPU處理器內核以及國家標準音視頻編解碼器（SVAC Codec），是全球首顆具備深度學習人工智能的嵌入式視頻采集壓縮編碼系統級芯片。該實驗室自主研發的嵌入式NPU，徹底顛覆了采用傳統馮諾依曼架構的CPU（中央處理器），賦予其“大腦”一樣的分析功能。

當前，人工智能的好戲剛剛揭幕。“卷積神經網絡（CNN）算法已成為智能機器視覺領域的研究熱點。”該實驗室嵌入式人工智能項目組組長昝勁文在接受《中國科學報》采訪時說，該算法通過仿生人腦的神經網絡，可降低網絡模型的復雜程度，在處理海量輸入數據、大規模乘累加運算、稀疏權值矩陣等方面具有優勢。

然而，傳統CPU運行CNN算法效率不高。中星微NPU采用“數據驅動并行計算”架構，使算機的能耗比“至少提高了兩三個數量級”，特別擅長處理視頻、圖像類的海量多媒體數據，使得人工智能在嵌入式機器視覺應用中可以大顯身手。

“馮諾依曼架構的編程方式是在一條線上寫代碼，一條條指令順序執行；我們是在二維的平面上編寫程序，使數據并行傳輸，過程比以前單線的編程更加復雜。”該實驗室神經網絡處理器項目組組長周林均告訴《中國科學報》記者。

據介紹，中星微每個NPU處理器有4個內核，每個內核有兩個數據流處理器，每個數據流處理器有8個長位寬或16個短位寬的SIMD（單指令多數據）運算單元。“這樣每個NPU處理器就包含了128個并行處理單元，相當于高速公路上有128個車道并行，讓海量數據通過。”張韻東比喻說。這使得每個NPU處理器具有每秒38G Ops（標準化數字標牌接口規范）的長位寬處理能力或76G Ops的短位寬處理能力。

“彎道超車”在于創新

據張韻東透露，“星光智能一號”現已銷售數十萬件，成功在視頻監控領域實現產業化，并可廣泛應用于智能駕駛輔助、無人機、機器人等嵌入式機器視覺領域。

此次，中星微率先在全球實現對該芯片的量產應用，可謂是中國企業實現對國外集成電路產業“彎道超車”的一次成功嘗試。

在信息時代，集成電路產業已成為全球各國必爭的戰略制高點。但當前中國該產業形勢卻相當嚴峻。工信部數據顯示，我國十余年來集成電路進口額長期處于各類商品之首，每年達2000億元左右。

這種依賴性隨時可將中國通信產業置于難以預料的風險之中。例如今年3月7日，中興通訊因被美國商務部實施出口限制措施而停牌。因該公司對美國零部件和軟件供應商的依賴，嚴重損害了其手機終端和電信設備業務，造成的損失額估計達1000億元以上。

當前，人工智能已成為下一代信息產業浪潮最重要的推手和顛覆性的技術，微軟、高通、谷歌以及美國宇航局支持的KnuEdge等公司紛紛推出的自己的NPU。對此，張韻東和同事認為，中國集成電路產業要想實現趕超，答案就在于自主創新。“我們比人家落后太多，現在新的技術不斷涌現，我們要把握整個行業格局變化重新洗牌的機會。”張韻東說。

堅持自主創新原則，重點投入核心技術研發與標準的制定，這是中星微多年來形成的科研模式。成立于1999年的中星微，在2001年開發出第一塊具有中國自主知識產權的圖像處理芯片“星光一號”，結束了中國無“芯”的歷史；在2010年與公安部第一研究所牽頭制定了SVAC國家標準，是全球第一個針對視頻監控的音視頻編解碼標準。這兩項成果使其兩次獲得國家科技進步一等獎。

“數字多媒體芯片技術”國家重點實驗室成立于2010年，圍繞數字多媒體芯片的應用基礎和關鍵技術開展研究。此次中星微推出的神經網絡處理器和嵌入式視頻監控芯片，正是對“創新驅動發展”的實踐。據悉該芯片現已申請16項專利。“今天，我們敢說我們的芯片誕生了，是進行了3年多的開發，每一顆芯片都經過嚴格的測試。”張韻東說。

后摩爾時代的探索

“正如業界所言，‘隨著逐步逼近香農定理、摩爾定律的極限，面對大流量、低延時的理論還未創造出來’。大家感到前途茫茫，找不到方向。”張韻東說。而NPU正是一塊“引玉之磚”。

根據摩爾定律，集成電路上可容納的元器件數目，約每隔兩年便會增加一倍，性能也將提升一倍。這一發展曲線在超過半個世紀里一直與預測的一樣“完美”。然而從2010年開始，這一增長節奏逐漸放緩。

“現在，半導體工藝已經逼近量子尺度，摩爾定律的盡頭近在眼前。而傳統CPU受限于散熱問題，其時鐘頻率更早趨于上限。”張韻東說。“理論上，極限時鐘頻率是1000G，但傳統CPU受限于散熱，達不到10G。否則，芯片過燙、溫度過高就沒辦法正常工作。”

如此一來，人們設想的嵌入式高級機器人還能否實現呢？對此，張韻東表示，后摩爾定律時代有幾條不同的路徑，一種觀點是繼續推進摩爾定律，即繼續在新型材料、工藝制程和器件結構上努力，將摩爾定律再推進一步，在單位面積上可以實現更高的集成度；另一種觀點是超越摩爾定律，即通過系統集成單顆芯片或是多芯片堆疊的方式，實現更多的功能。

張韻東表示，中星微的觀點是走“智能摩爾”的路線，即不否認相關技術的物理制約，推進信息層面的技術創新。“這一方面還遠遠沒有達到極限，如何進一步借鑒人類智慧機理，如何把原始數據提升到有用的信息，在信息層面還有很多技術有待創新。”

此次，“星光智能一號”就聚集了北京、廣東、天津、山西、江蘇等地的研發力量，采用了先進的過億門級集成電路設計技術及超亞微米芯片制造工藝，實現投片量產。未來，該實驗室將采用更加接近生物人腦的工作機理方式，推出更低功耗、更高運算新能的下一代神經網絡處理器。“人腦的奧秘現在還遠遠沒有被了解。”張韻東說，“研究新型的計算架構，提升信息處理的性能功耗比，這可能是下一次信息革命的關鍵點。”

關注最前沿的電子設計資訊，請關注“電子工程專輯微信公眾號”。