19号特斯拉智能日将发布Dojo计算机芯片

来源:赵优秀发布时间:2021-08-13237浏览

特斯拉AI Day的秘密，就藏在这张图里

前一阵，马斯克发推特宣布了特斯拉“AI Day”将会在北美时间8月19日正式举行。根据之前他的推特所说，发布会将会介绍特斯拉在人工智能领域的软件和硬件进展，尤其在（神经网络）的训练和预测推理方面。而这次活动的主要目的，是招揽相关人才。

这种做法非常的特斯拉，就像2019年的“Autonomous Day”和2020年的“Battery Day”一样，估计“AI Day”整个发布会将会涉及大量的软件、硬件的技术细节，以此来向外界“秀肌肉”。

这种技术“秀肌肉”正是特斯拉招揽顶尖人才的独特方式。从某种程度上讲，特斯拉在召开类似的发布会时，面向的群体更多的是行业领域的专业人士；用极具野心的规划方向和颠覆行业的研发成果，去吸引那些因此感到心潮澎湃的人才。

特斯拉的AI硬件负责人Peter Bannon曾在接受采访时说：“你知道有很多人想要来特斯拉工作的根本原因，仅仅是因为他们想要从事于（FSD）的研发和相关工作。”事实上，美国近几年在统计工程类专业学生最想去的公司排名中，特斯拉和SpaceX经常交替排名第一，其实也佐证了Peter所说的这一现象。

（图/Universum）

尽管此次一如既往的并未泄露什么“AI Day”的信息，但仅通过上面那一张预热图，就让不少从事AI领域的人为止兴奋不已。

神秘的Dojo计算机芯片

在“AI Day”发布会的邀请函上，放着一张夸张的芯片图。

从图上估测，该芯片才用了非常规的封装形式，第一层和第五层铜质结构是水冷散热模块；红色圈出的第二层结构由5*5阵列共25个芯片组成；第三层为25个阵列核心的BGA封装基板；第四层和第七层应该只是物理承载结构附带一些导热属性；蓝色圈出的第六层应该是功率模块，以及上面竖着的黑色长条，很可能是穿过散热与芯片进行高速通信的互联模块；

从第二层结构的圆形边角，以及拥有25个芯片结构来看，非常像Cerebras公司的WSE超大处理器，即才特斯拉可能采用了TSMC（台积电）的InFO-SoW（集成扇出系统）设计。

所谓InFo-SoW设计，简单理解来说就是原本一个晶圆（Wafer）能够“切割”出很多个芯片，做成很多个CPU/GPU等类型的芯片（根据设计不同，光刻时决定芯片类型），而InFo-SoW则是所有的芯片都来自于同一个晶圆，不但不进行切割，反而是直接讲整个晶圆做成一个超大芯片，实现system on wafer的设计。

这么做的好处有三个：极低的通讯延迟和超大的通讯带宽、能效的提升。

简单来说，由于C2C（芯片与芯片之间）的物理距离极短，加上通讯结构可以直接在晶圆上布置，使得所有内核都能使用统一的2D网状结构互连，实现了C2C通信的超低延迟和高带宽；以及由于结构优势实现了较低的PDN阻抗，实现了能效的提升。此外，由于是阵列多个小芯片组成，可以通过冗余设计来避免“良品率”问题，以及实现小芯片处理的灵活性。

举个形象的例子，特斯拉前一阵公布的超级电脑，一共用了5760个Nvida A100 80GB的GPU，那么在这些芯片之间，需要海量的物理结构进行连接以实现通讯，不仅耗费大量成本，且由于连接结构的带宽限制成为“木桶短板”，导致整体效率较低，并且还有分散的庞大散热问题。

这里拿Cerabraas的WSE-2作为参考对比，一个芯片的核心数是Nvdia A100的123倍，芯片缓存为1000倍，缓存带宽为12733倍，Fabric结构带宽则为45833倍。

这样级别的性能怪兽其主要目的，就是为了AI的数据处理和训练。其一代芯片WSE，已经有多个重量级用户在使用，比如美国阿贡国家实验室、劳伦斯利弗莫尔国家实验室、匹兹堡超级计算中心、爱丁堡大学的超级计算中心、葛兰素史克、东京电子器件等。

全球制药巨头葛兰素史克的高级副总裁Kim Branson称赞到，WSE的超强性能将训练时间减少到之前的1/80。而在美国最大的科学与工程研究室阿贡国家实验室，WSE芯片被用于癌症研究，将癌症模型的实验周转时间减少到1/300还少。

所以不难推断出，“AI Day”邀请函上面放出的这张图，应该就是马斯克所谓的Dojo超级计算机的自研芯片。并且颇有意思的是，发布会的时间是2021年8月19日，而就在刚好一年前的2020年8月19日，马斯克发了一条推特说：“Dojo V1.0还未完成，估计还需要一年的时间。不仅仅是芯片本身的研发难度，能效和冷却问题也非常的难。“

之所以说冷却问题难，是因为根据标准晶圆一块是300mm来看，那么特斯拉这块Dojo芯片设计单个芯片应该与RTX 3090差不多，至少每个芯片有280亿-320亿个左右的晶体管，单个芯片功耗可达250-300w左右，整体功耗约在6250w-7500w左右；并且台积电也曾说InFo-SoW设计的最高功耗约为7000w，同样印证了这一点。

几个月后，他又补充道：“Dojo采用我们自研的芯片和为神经网络训练优化的计算架构，而非GPU集群。尽管可能是不准确的，但是我认为Dojo将会是世界上最棒的超算。”并且，马斯克在2021年Q1财报时也曾说：Dojo是一台为神经网络训练优化的超级计算机。我们认为以视频数据处理速度而言，Dojo将会是全世界效率最高的。“

其实马斯克早在2019年“Autonomous Day”就提到过Dojo，称Dojo是能够利用海量的视频（级别）数据，做“无人监管”的标注和训练的超级计算机。

并且如果认真了解过2019年“Autonomous Day”发布会，就会发现，特斯拉推出Dojo超算以及自研芯片，是必然且在规划中的事，是特斯拉不得不去做的事。

换句话说，不是特斯拉想要成为人工智能巨头，而是被逼无奈只能如此。

为什么要做Dojo？

其实这个问题马斯克曾在推特中回复过，大致意思为：“只有解决了真实世界的AI问题，才能解决自动驾驶问题……除非拥有很强的AI能力以及超强算力，否则根本没办法……自动驾驶行业大家都很清楚，无数的边缘场景只能通过真实世界的视觉AI来解决，因为整个世界的道路就是按照人类的认知来建立的……一旦拥有了解决上述问题的AI芯片，其他的就只能算是锦上添花。”

其实马斯克已经讲的很清楚了，笔者来稍微补充一些知识便于理解。

自动驾驶目前需要解决的难题，其实最核心和最困难的就是“感知”，换句话说系统对周围驾驶环境的感知能力越强，其自动驾驶的综合能力就越强；也就是从这里，行业里分成了两大流派，一个是以特斯拉和Mobileye（同时也有Lidar方案）为首的纯视觉方案；另外是其他所有相关公司，想尽可能加入更多的传感器融合方案。

这里暂且不去讨论究竟哪条路径是正确的，因为很有可能未来实现殊同同归的结果。

但是，无论是哪条路径，都需要对海量的数据进行深度学习，也就是对神经网络的训练，才有可能实现所谓完全自动驾驶，而且这是唯一途径。

原因很简单，自动驾驶的问题，可以理解为处理可能遇到的各种驾驶场景以及做出的操作，那么这个基本是“无限”的；如果有有限的编程方式，那么永远无法解决所有可能遇到的问题，或者说以人类的能力，根本无法覆盖那么多种变化的情况。

早期的各种自动驾驶系统，由于没有别的途径，只能用这样的“死板”方式去研发软件，所以其能力非常有限，只能应付相对稳定和条件限制较多的场景。

而如果想要实现识别各类型的场景，那么就需要这个“软件”不断自我适应和“进化”，这就是利用神经网络进行深度学习的原因了。

神经网络可以简单理解为通过“仿生学”模拟人类大脑皮层的神经元“沟通学习”的方式进行处理数据，用来实现“类人”的学习东西的方式。然而，概念很美好，现实很残酷。

1943年Warren McCulloch和Walter Pitts曾写过论文讲述人工神经网络该如何工作，并且利用电路造了一个简单的模型。后来经过诸多人的努力和研究发展，直到1998年，斯坦福大学的Bernard Widrow和Marcian Hoff才打造出了第一套用于解决实际问题的人工神经网络。

1956年，达特茅斯夏季会议上各路大牛提出了AI定义，大大推动了AI和人工神经网络的发展，也被广泛人为是AI元年。当时人们信心满满，认为不用20年就能打造出跟人脑差不多一样的AI系统。结果在不断研究中发现，深度神经网络的算法太过复杂，从而无从下手。于是放弃了当初“大而全”的目标形式，转为以执行单一目标为方向。

这其中除了因为对人类大脑的认识非常肤浅（到现在也没有进步多少），以及人工神经网络架构的局限和软件算法的局限之外，更多的就是算力问题，也就是受到半导体行业发展的限制。

李开复博士在做他的语音识别功能博士论文时，哪怕在当时他所采用语音数据库算非常大的，其实也不过仅有100MB，却花费了他导师近10万美刀，在1988年相当于两套房子的价格。而如今动辄几个PB的数据量，算力成为了限制很多AI发展的瓶颈。

这里补充一个知识：不同的处理器芯片所具备的能力各不相同。例如CPU更多的通用计算，可以理解为总指挥，负责逻辑上更线性的计算和判断；而GPU则是专职于图像处理的芯片，能够同时吞吐较大的数据量和进行矩阵计算，加之已经是成熟的量产产品，所以被大量应用于AI学习。

而NPU（Neural Processing Unit，神经网络处理器）则是从设计层面就专职为神经网络学习优化的，像谷歌的TPU和特斯拉的FSD芯片都属于NPU序列，这类芯片扔掉了类似GPU中不需要的功能，仅为神经网络所需要的数据处理形式服务，其速度和能效要高很多。

但是，这里还需要区分ASIC（Application Specific Integrated Circuit，专用集成电路）芯片和FPGA（Field Programmable Gate Array，可编程逻辑门阵列）芯片，其中ASIC芯片就是生产后，其运行逻辑和功能就固定了，不能修改，为某项任务（软件）而生，能效极高；而FPGA则是可以通过软件改变其运行逻辑，为半定制的芯片，可以通过软件对其进行修改，适合进行训练和优化所用，能效相比ASIC芯片低一些。像TPU和FSD都属于ASIC芯片，而特斯拉此次发布的Dojo芯片就属于FPGA序列。

回过头来，市场上既没有符合需求的车载芯片可用，也没有符合需求的超算来更好的利用这些数据，特斯拉想要实现这一切，在当时只有自己去做软件和硬件，当年特斯拉在2016年立项做FSD芯片时，谷歌的专属AI芯片TPU才刚刚问世，而车载的AI芯片几乎没有能用的。

所以，当年很可能FSD和Dojo的立项时间不会差太远，只是由于考虑到能耗和需求问题，Dojo等到7nm的技术相对成熟后，才开始逐步推进。

从另一个纬度上去理解Dojo的必然性，是从神经网络学习的计算量级上去理解。在2019年“Autonomous Day”发布会上，特斯拉其实已经明示了会去掉雷达，走向纯视觉，且是视频级别的数据进行直接处理。

举个简单的例子，一张1080p的图像，以最简单的神经网络结构，如果不利用激活函数（tanh、ReLU）进行数据“优化”，其运算量大概需要4万多亿次；即便采用激活函数优化的卷积神经网络处理，其运算量也将达到1.3亿多次；而如果以视频形式处理，一秒按24帧计算，也有24张图像，综合算下来其运算量是惊人的。

值得注意的是，自动驾驶收集的数据中95%左右都是无效数据，也就是对神经网络训练压根没用，简单理解来说就是你每天做几乎相同的卷子，是得不到任何提升的。所以即便特斯拉的车辆仅在特定触发条件下才会收集部分数据，但得到的数据量依然非常庞大，需要Dojo这样为特斯拉自身软件优化过的定制超算，才能大大提高效率。

此外，前文提到过“无监督训练”也是Dojo的另一个核心目的，用于大幅度提高训练效率。

在神经网络训练中，其实海量的研究人员都是“调参侠”，简单理解也就是通过不断调“权重”来让神经网络判断越来越准确，或者是通过人工标注各种“正确答案”，让其学习。这就会导致“人”成为了效率的短板，从而致使整个过程的训练速度大幅降低。而如果实现“无监督训练”，也就是系统自己通过海量数据和以前“学习”的结果进行自动标注和调整，那么其效率将会是量子级别的提升。

举个简单的例子，谷歌的Alpha(配置|询价) Go击败世界围棋大师相信很多人都知道，也是一个人工智能在特定领域击败人类的标志事件。作为对比，Alpha Go经过人工参与调整和标注的训练结果，经历了几年时间击败了全球高手。而作为无监督训练的范例Alpha Zero，仅用三天时间自己与自己对弈，就击败了Alpha Go Lee，在21天打到了Alpha Master的水平，并在40天超越了所有的旧版本。

总结起来，如果特斯拉完成了Dojo的打造，那么就能够以惊人的效率用海量的数据进行训练，解决各种“边缘场景”的问题，加快自动驾驶系统的成熟和完善；更关键的是，特斯拉对其软硬件的垂直整合度非常高，不仅不受制于别人，而且能够以此作为服务，给外界提供深度学习的训练业务。