Simon Knowles：30年做成三家独角兽公司，AI芯片创业的底层逻辑

来源｜The Robot Brains Podcast

编译｜OneFlow社区

Simon Knowles从事处理器研发工作已超过30年，是一位非常典型的连续创业者。

从剑桥大学电子工程专业毕业后，他前往英国政府研究实验室研究过早期的神经网络。而后他进入意法半导体公司（ST Microelectronics），领导了微处理器开发小组。

1990年代，Simon Knowles创立了一家面向DSL芯片业务的Element 14，它于2000年被美国的有线和无线通信半导体公司博通以6.4亿美元的价格收购；2002年，Simon Knowles和Nigel Toon创办了3G蜂窝调制解调器芯片公司Icera，并在2011年以4.36亿美元卖给了英伟达。

Graphcore联合创始人 Nigel Toon（左）和 Simon Knowles（右）

随后，Simon Knowles和Nigel Toon一直在考虑再次合作创业，并从2013年开始筹集资金，2016年，那个后来备受业界、市场和资本高度关注的Graphcore对外宣布成立，他们主要研发专用于AI计算的全新处理器IPU（Intelligence Processing Unit），以帮助加速机器智能产品和服务的开发。Simon Knowles担任公司联合创始人、CTO兼执行副总裁。

为了开发出可以利用所有功率但比GPU更节能的芯片，他们设计了一款具有1216个处理器内核的芯片，共有240亿个晶体管。2018年年底，他们研发的首款IPU芯片正式推出，每秒能够检测10000张不同的图像。2020年12月，Graphcore宣布E轮融资筹集了2.22亿美元，总融资额超过4.5亿美元。

他们的目标是使机器能够识别更复杂的数据，从中找到完成给定任务的方法而不仅仅是简单的对象。

在由Pieter Abbeel主持The Robot Brains Podcast节目中，Simon Knowles介绍了AI计算的发展背景，分享了Graphcore的创业思路和过程以及IPU的设计理念，并对AI芯片行业的未来发展做了展望。

以下是对话内容，OneFlow社区做了不改变原意的翻译和编辑。

1

第三次创业想法的缘起

Pieter：可以说，最新一轮AI崛起的标志性事件是在2012年的ImageNet图像识别挑战赛上，Geoffrey Hinton和他的学生Alex Krizhevsky、Ilya Sutskever提出的深度卷积神经网络结构AlexNet获得了压倒性优势，并一举夺魁，AlexNet引爆了神经网络的应用热潮。

有人可能会说，这次崛起主要是由于Alex使用了GPU而非CPU来训练神经网络，而GPU可以训练更多的数据，效率也更高。你能不能先解释一下GPU与CPU的区别，以及为什么GPU更有利于AI计算？

Simon：如果你没有深入了解过处理器，可能就不知道微处理器有很多种类型。英特尔制造的处理器称之为CPU，具有很强的通用性。专用于图形处理的是GPU。还有其他很多类型的处理器，它们的工作原理与GPU和CPU都不相同。

比如用于通信领域的网络处理器，主要是做包处理、路由查找等任务；还有不同类型的数字信号处理器DSP，主要是将信号以数字方式表示并处理；此外，还有我和我的团队曾研发的媒体处理器，曾是意法半导体公司制造的首批专用媒体处理器之一，可以进行编解码，处理M-JPEG、MPEG4、H.264等格式。

为什么这些处理器的结构有所不同？不同类别的处理器之间主要存在以下三个方面的差异：

首先是并行方式，即通过构建机器间不同的并行方式来获得更高性能；其次是内存层次结构，这很大程度上取决于需要访问的数据结构类型以及访问方式；最后是算术运算的形状和大小，运算需要消耗大量算力，所以你需要确定数据类型以及计算量大小。

AI应该是第一个对低精度数字进行高性能处理的应用。人们喜欢将AI与传统的高性能计算（HPC）放在一起比较，但它们的原理恰恰相反。

那GPU的不同之处是什么？现在的GPU芯片支持独立的线程运行独立的程序。其中，每个独立的线程都有约为1000位宽的矢量数据路径。GPU最初的设计是用于处理像素阵列或投影到像素阵列上的3D世界模型。对于需要执行的任务，开发者可以拥有自己想要的并行方式。换言之，GPU的内存层次结构帮助开发者高效地获取内存中的2D或3D对象，算术计算帮助开发者高效地处理这些对象。不过，与此相反，我们现在的设计假设之一是，智能处理需要考虑数据内部的结构，而不仅仅视之为数组或张量。

Pieter：通过GPU可以训练更大的神经网络，并且获得更好的结果，这一突破在2012年突然就发生了。凑巧在这一年，我听说你在马尔堡酒馆（Marlborough Tavern）的私密会议上所谈的事让你的职业生涯有了新突破。当时发生了什么？

Simon：你说的是我和Nigel Toon（Graphcore联合创始人）见面的事。他是我的多年好友，在那之前，我们经常聚在一起谈论未来最合适的合作方向，最终决定创建一个芯片公司。

实际上，我们当时想出了三个发展方向：炙手可热的物联网（IoT），用ARM内核构建重负载服务器来与X86竞争，还有一个就是人工智能。

当时，我们在马尔堡酒馆进行了讨论，一致认为IoT这个方向看上去很无聊。它的有趣之处恰恰在于如何处理收集到的数据，而答案就是人工智能。而对于使用ARM内核构建重负载服务器这个方向，如果选择创业来和芯片巨头英特尔同台较量，这无疑是一项艰难的挑战。当然，我们都知道ARM服务器芯片会出现，而且现在已经出现了，就是有些难用。

然而对于AI方向，我们认为它足够特殊，也有足够的市场潜力，可以成就一番大事业。这次讨论实际上发生在AlexNet提出之前。换言之，我们的想法并不是受到神经网络的启发。但有趣的是，我和Hinton在1980年代中期讨论过神经网络。

我的第一份工作是在一个受英国政府资助的研究基地，叫皇家信号与雷达机构（ Royal Signals and Radar Establishment），现在听起来有点怪，我们主要研发液晶显示器等项目。然而，当时我参与的一个项目是尝试用神经网络来翻译人类语言，发现关键的短语等类似内容。

当时我们在芯片中构建了一个神经网络。我们猜想，如果可以构建一个比这还大100倍的神经网络，就可以做我们想做的工作，但最终没能实现。当然，现在我们可以完成这项工作，但100倍这个量级远远不够。

早在60年代，人们推测神经网络会在80年代爆发，但当时的技术无法实现。然后在2010年代，从Alex Krizhevsky那篇著名的论文开始，神经网络突然就火起来了，或许是那时有条件让这一切发生。

Pieter：考虑到对下一代高效计算的需求，你在酒馆里预言，AI会是下一个技术浪潮，之后“AlexNet时刻”就来了，当时你有没有跟Nigel说“记住我们的谈话，我们肯定要为此而努力”？AlexNet的出现是否影响了你的想法？

Simon：不，我们在2012年初做出的决定就是要做人工智能方向，并且成立一家芯片公司。当时，没有比投资芯片更不时尚的风投项目了。所以很明显，我们必须慢慢来，选择时机，并尝试通过风险投资来启动创业。

我们创业前已经做过几家成功的芯片公司，所以肯定有投资者会投我们。但实际上，我确实花了更长时间来研究创业并试图弄清楚该怎么做。大约在2014年，我们开始启动项目并招聘工程师。虽然直到2016年Graphcore才对外公开，但在这之前做了一些前期的准备工作。我们最初是在另一家叫Acorn的芯片公司内部孵化的。

你可能会觉得有点奇怪，但实际上，我们首次创业做Element 14就曾这样做过。这至少是我们以前经历过的一种创业方式。

Graphcore的创业之路走向正轨后，我们意识到CNN的快速发展，必须使我们的架构更适应于CNN，当然我们的架构还需要更多其他架构已经具备的结构，比如在处理器中构建矩阵引擎。

2

为什么需要专用AI芯片

Pieter：现在可以用语音、图像、自动驾驶等多个应用场景的数据集来训练神经网络，而你们似乎是在为这些应用场景开发一款AI芯片。与过去的计算相比，是什么使得拥有专用AI芯片成为可能？AI芯片的重要性体现在哪里？

Simon：如果你打算开发一种新型处理器，真的需要有一个20年的长远视角。因为你不仅需要开发处理器，还需要开发编程工具，在此基础上人们才能开发应用。如果这个研发方向不能持续发展20年，那就不值得这么做。但是，如果你问起20年后处理器领域会发展到什么程度，坦率地说，没人知道。

几年前，我们还不知道神经网络会像今天这样无处不在；在五年的时间里，我们可能又发现了一些神经网络领域之外的新事物。因此，处理器的设计人员不能仅仅满足于瞄准现有的需求， 有些芯片领域的初创公司在努力做到这一点。

还有一些项目，比如谷歌的TPU（Tensor Processing Unit）是一款在专用功能的硬件基础上经过轻量级封装而成的专用处理器，也仅仅是在瞄准已知的需求。

我肯定谷歌就会这么做，因为这是他们现在的业务需要，如果明天需要做其他的，那他们明天就会去启动做不同的东西，但不会尝试像我们这样瞄准长期需求去设计芯片。从我们的角度来看，不能仅仅满足于现有的流行需求。

那么我们需要瞄准什么呢？在根本原理上需要关注什么呢？首先，我们现在的一切技术都依赖大量的计算，而提供大量算力的唯一方法是使用大量并行计算，我们不能期冀单个芯片一直在变得越来越快。

其次，低精度算术运算也非常根本。我认为，从数据中学习本质上是个概率性任务，而概率构造并不是非常精确，那相当于用很多非常不精确的数字，让你做精确的事情。

最后，数据内在的结构也很有意思。一些有用的数据可以很方便地被表示成向量或二维矩阵。而向量是以序列形式出现的，就像句子中的词条序列。矩阵则以像素阵列的形式出现。这就是自然数据的形式，非常方便。这也是我们的公司之所以叫Graphcore的原因。

然而，神经网络是怎么回事呢？从看起来像某种样子的数据开始，逐渐把这种样子的数据形式转换成一些中间表征（坦率地说我们也不知道具体是什么），最终一步一步地通过许多这样的转换，产生一些可能是简单的2D或者3D的数据结构，也可能不是这样。

它应该有个更宏观的视角，不仅仅是所包含的那些信息，而是要比二维矩阵中的一组点（points）更宏观。

事实上，这一点不仅适用于中间表征，甚至适用于其他一些类型的输入和输出形式，比如亚马逊等公司构建的推荐系统图谱，或是Facebook那种一个由多个图组成的巨大的关系结构图。

自然界到处都是图。而图几乎像是数据中结构之母。所以我们的另一个原则是，必须能处理图这种广义的数据结构。不管你在做什么人工智能应用，怎么去做，你可能不是在神经网络层面去处理，而是在图上。

从处理器的角度而言，图有什么特征？它们的维度非常高，对处理器的存储结构有巨大的影响。如果数据是低维的，比如一维的话，序列中有两个邻近数据，那么你就可以把这两个邻近数据放在你建立的内存中相邻的地址，然后去定位它们。但现在，你无法在上千个维度上做到这一点。所以，当你把一个高维数据结构嵌入到现在可以实现的低维存储器中时，数据会分散。如果你想在图中处理邻域，必须先把需要的东西收集在一起。这是一个典型的稀疏问题。

因此，我们也是基于这一点来押注未来。我们认定，最终的数据结构都需要是非常复杂的图。

此前，我们并没有预料到神经网络领域会变得如此普遍，现在神经网络领域似乎又到了它的“AlexNet时刻”。目前为止，我认为有两次“AlexNet时刻”。一次是AlexNet神经网络本身的流行，另一次是Transformer网络的突破，但有趣的不仅是Transformer本身，更重要的是，它可以采用无监督学习的模式。

Pieter: 我们怎么样可以用这些神经网络开发其他一些有意思的项目，你能不能预测一下未来类似的需求？

Simon：我会谈谈对不同类型神经网络的看法，我的看法也不是特别新颖。信号处理有一套基本的关键功能部件，你可以用不同方式使用这些功能部件做一些有用的事情。这些关键功能部件包括有限脉冲响应滤波器、无限脉冲响应滤波器、采样器、傅里叶变换等等。通过组合这些基本模块，可以在电话或各类通信基础设施中构建信号处理架构。

神经网络的原理也差不多是这样。神经网络是分层的，因为我们发现最好的学习方式是渐进式的。换言之，通过影响相对较小的多层变换，我们发现有不同类型的层是有用的。有些层如局部卷积，对图像之类很有用。有的层基本上能够从其所在环境中的任何地方提取信息，这是注意力层。有些层完全忽略了所在环境的维度，只是做一些其它事情，比如把数据投射到一个更大的维度特征空间，然后再收缩回去，这样做好像有助于实现事物的解耦。

我认为，这些层就像我们构建DSP系统的组件，只是在学习哪些部分是有用的。一旦我们有了一整套完备部件，就可以用各种方式把它们固定在一起。

目前，我对从传统的CNN和Transformer之类的注意力模型之间的迁移非常着迷。很高兴看到它们在图像处理上的应用效果很不错，它们在前面用了几层CNN，然后在后面用了几层Transformer，这种思路应该是正确的。

Pieter：Graphcore引起了很大反响，可以说，它的技术深入到了构成AI计算核心的基本单元。你之前提到你们想创造一个在20年内都有效的项目，今天的人们所做的项目与五年前肯定有密切的关系。但与此同时，世界发展速度非常快，你们如何保证现在设计的芯片在20年后还不过时？你的信心来源是什么？

Simon：老实说，一些非常有趣的领域发展得非常快。因为如果这些领域前景很好，会吸引大批聪明人加入。当我们创立Element 14公司搭建那些 DSL （当时叫作铜缆宽带）时，这个领域发展得非常快。互联网的诞生助推了21世纪的科技泡沫，从根本上说这是很有价值的事情。

另外我想说的是，我们要着眼于最根本性问题，而不是着眼于眼下正在流行的事物。AI 的基本点就是低精度算法和大规模并行。另一个基本点与芯片有关，也就是摩尔定律。

看一下Graphcore的IPU芯片Colossus Mark 2，并将其与我们在1990年成立的Element 14研发的芯片比较，比后者安装的晶体管数量大约多了10000倍，运行速度大约快了100倍。这很了不起。

遗憾的是，芯片性能的提升速度差不多要到头了。众所周知，芯片最终会面临能耗问题。如果你想不断提升性能，就必须考虑能耗问题。

这个问题是如何在我们的芯片结构中得到体现？那就是确保存储和计算彼此非常接近。在传统芯片中，大多数的电能都用在数据搬运上，而不是花在算术计算或是记忆上。因此，IPU架构背后的另一种基本原则是所谓的分布式计算，不这么做的话，你芯片一定需要海量的逻辑单元，无论是做运算的逻辑门还是内存都需要很多晶体管。

Pieter：当提到AI芯片公司时，大多数人首先想到的是英伟达，它研发的GPU非常受欢迎，在AI领域提供了大量算力。很明显，Graphcore必须与他们竞争，或者开辟出他们没有涉及的领域。况且他们是一家大公司，而你们是一家创业公司，你们的竞争优势如何体现？

Simon：我并不期望英伟达消失或被任何新来者打败。计算机从数据中学习的思想广为人知，而AI几乎存在于人类未来技术的任何领域，所有这些需求都能由一个架构来支持吗？我认为这是不可能的，可能会出现各类具有不同优缺点的架构。但不可否认，他们是人工智能领域的主导力量，我不指望这一点会改变。

如果你在创业，第一条准则就是不要试图生产大公司现有产品的强化版。因为现有公司有如此大的市场力量，仅仅有更好的产品来做同样的事情是不够的。在某种程度上，我们的第二家创业公司Icera（2011年被英伟达收购）在同高通公司的产品竞争中就是这样，我们在工程上超越了高通，但市场竞争上仍非常惨烈。

当然，你在某些方面的表现不会那么好，这是不可避免的，但你仍然在其他方面表现得会更好。所以我们现在不是要研发一个更好的GPU，我们把它称为IPU，那是不同的产品，有不同形状，应用场景不同，但还是会赋能一些AI应用。

在AI计算时代，我对有其他可行的方法来提供价值完全持开放态度，我非常确信业内有另外一些非常有前途的创业公司。但是，我对很多公司决定尝试克隆GPU芯片感到惊讶和失望，这对我来说毫无意义。

Pieter：IPU和GPU各有其更适合的应用，在某些工作负载的应用效果上，能再介绍一些IPU的优势吗？

Simon：我想现在已经很清楚了，GPU芯片上有很多线程，就可以做更多的工作。如果有一个任意结构的数据，这些线程可以转到该结构的各个部分，并独立于同质的数据结构，有效地做有用的工作。

我们已经证明，在一些体现稀疏性的地方，无论是有条件执行，还是条件访存，或者只是穿孔的数据结构，IPU对这些任务做得特别好。我认为我们现在已经证明了相对于GPU的能效优势。

我们的芯片存储逻辑和计算逻辑大约各占一半。它们紧密地混合在一起，所以数据通常不需要移动很远就能进行处理，这与传统处理器有很大不同，即使是像GPU这样的高度并行处理器。

在自然语言处理中的Transformer这类模型上，在标准基准上看一下每瓦特的性能。如果你的机箱采取10千瓦或类似的预算，给定这种能效限制，我们可以从IPU中获得比GPU更多的性能，而且这是基于每秒运算峰值次数差不多的芯片。

Pieter：你能不能介绍一些具体的案例，它们在底层可能依赖于更稀疏的计算，因此非常适合用IPU。

Simon：稀疏数据结构的最好的应用案例是分子。分子很少排列成简单的线或方块，它们之间几乎就是图（graph）的关系。

还有一种情况是，有用的分子往往不是非常大。它们可以有非常复杂的行为，但仍然相当小。一个由几千个原子组成的分子仍然是具有惊人复杂性。如果你在研究某种结构的分子，预测或获取其属性，并试图找出可以表达这些属性的结构。这也是一个很好的例子。

它有两个奇妙的特性，使其更适合于IPU。首先是一个足够小的数据结构，可以全部放在芯片的内存中，我们的芯片访问这段特殊内存的带宽可达每秒数千兆字节。其次，由于IPU有大规模并行结构，可以比其他架构更快地操作不规则的数据结构。

还有很多其他应用，比如发现新的化学材料、治疗冠状病毒等疾病，甚至只是了解那些分子的行为对社会也有巨大的潜在好处。

此外，我们的芯片在金融领域已经有相当大的吸引力。很多金融模型被证明是抽象结构，对未来可能发生的事情进行概率性预演，这需要大量产生随机数的能力。而我们的机器的1500个处理器分别都有一个强大随机数生成器。

即使在那些不是图结构或者像自然语言处理领域那样稀疏的领域，IPU也有明显的优势。比如对词块序列的处理就能胜过GPU，而这是从头进行设计的优势。对了，创业公司的优势之一就是能把自己卖给英伟达这样的巨头。

当然，我们对英伟达抱有极大的敬意，他们在将GPU应用于AI领域并在服务社区方面做得非常好，但GPU确实有个缺点，它仍然是源于图形处理的。

如果他们能从头开始做起，我相信，他们也可以构建像我们这样的新产品，但在大公司你永远没有这样的机会，因为你总会受制于已有业务发展的惯性。

Graphcore研发的技术确实假定了一定的计算规模，但它并不假定你会有一个装满芯片的机箱。这样做的原因是，我们从芯片上放置的足够的内存中获得了巨大能力。如果芯片太小，或者功率预算太小，就没有意义了。

所以你不会在移动手机中看到Graphcore的芯片，这个市场是为其他公司准备的，我不会说我们的产品已经达到了在移动手机领域应用的水平。IPU的应用范围是从云基础设施、企业基础设施到重负载边缘设备，以及功率预算为几十瓦的智能相机等领域。

Pieter：我相信你对Cerebras芯片公司的产品很熟悉，他们要构建一个尽可能大的芯片，似乎与你们正在做的事情有点互补。但与更标准的方法相比，我认为他们制造完整晶圆的芯片并不寻常。

Simon：其实早在1990年代，有人曾尝试使用当时被称为晶圆级集成（WSI）的全硅晶片来制造内存，当然在制造处理器方面也有一些进展。

Cerebras公司做了什么？我们都用常规方式制作芯片，把这些芯片从晶圆上切下来，并做好包装，然后把这些芯片重新安装到一块电路板上，而他们是直接把这些芯片留在晶圆上。这样做的缺点是，制造工艺并不完美，其中有些芯片可能会出毛病，所以你必须有足够的备件，并解决那些不起作用的芯片。

还有一个缺点是，你打包了所有的处理器，而且要把大量的处理器放在尽可能小的空间，这意味着你会遇到最大功率输出和散热问题。

解决供电和散热问题是非常重要的，Cerebras的优势是可以使用硅加工技术制成的电路将这些芯片连接在一起，这比在电路板上安装要好得多。现在我认为这种优势还不够，某种程度上也有劣势，因为你只能接触到边缘区域，无法接触到阵列中间的电路，这意味着，如果你想把更多内存附加在系统内，只能把它连接在边缘附近。但不管怎样，这是一个非常有趣的尝试。

我不愿把它称之为芯片，它大约有5.5平方厘米，如果观察它的构建方式，晶片上的很多东西还是用了传统的办法，譬如他们在顶部放了一些线路把芯片连接起来，当然它绝对还是一整块晶片，作为一名处理器设计师，我认为该组件的缺点或许超过了优点，但他们能坚持下去真的让我印象很深刻，希望他们一切顺利。

3

如何成功研发一款芯片

Pieter：下面聊聊Graphcore吧。从你开始设计第一款Graphcore芯片再到流片的过程中都发生了什么？

Simon：Colossus Mark 2是有史以来制造的最复杂的芯片。如果这是我们第一次尝试去做这样的产品，我很确定我们会失败。

现在我们之所以能够做成，是因为团队的核心成员在一起工作了很长一段时间，要比Graphcore成立的时间长得多，这甚至可以追溯到在这之前的两家初创公司，在30年前，就有五六个人成为我们这个处理器团队的成员，并且我们一直在构建芯片。

我们曾用已知的每一种工艺试产过相应定制化设计的处理器，经历了从150纳米到130、90、65、40、28、16、8、7纳米等多个连续的工艺节点，而且每一款都是开箱即用的。

芯片技术很复杂，你没法在大学里学到，我们很高兴曾在一家大型半导体公司学习相应知识并构建芯片。制造芯片就像制造飞机，非常复杂，需要非常多样化的技能。

如果给一群非常聪明的博士生10亿美元的资金去制造一架客机，如果他们想成功的话，可能还需要一些以前做过类似工作的人。这个世界没有那么多团队具备构建芯片的能力，而我们恰巧就是其中一支团队。

现在有很多人在试图构建芯片，但这让我感到有点沮丧，因为很多风险投资并不会获得回报，这可不是什么好事。

很多云计算公司已经决定学习Google来自己设计和制造芯片，这意味着他们可能不会购买我们的产品。但遗憾的是，很多公司无法成功整合一支可以交付这类设备的团队，当这种情况发生时，他们将会找像我们这样的专业芯片公司来填补这一鸿沟。

Pieter：芯片工作和我们现在所知道的许多其他人工智能的工作有点不同。比如Jeff Hinton、Alex Krizhevsky和Ilya Sutskever他们三个人在2012年的研究就带来了巨大突破，这个成果建立在前人和他们自己以前的研究基础上，但在芯片设计中，三个人却不能让芯片运作起来。

Simon：这很有趣，实际上构建芯片并不需要很多人。我反对那些曾经说芯片设计变得越来越困难的人，芯片团队正在成倍的变大。像我们这样构建最先进的微处理器的团队，大约用30名芯片设计师的团队生产了第一台设备，同样数量的软件工程师团队编写工具链来对设备编程。30年前，我们就可以在同样人数的情况下构建一个最先进的复杂系统，所以只是增加了一些人手。

从最初的构建理念到开发第一代芯片，我们花了大约三年半的时间，现在我们又花了一年半的时间实现今天的产品。这就是初创公司的研发历程。

简单地说，如果你想制造一款有竞争力的新芯片，花费1亿美元做第一代产品，你可能要花5亿美元来构建你的业务，所以这个领域并不适合胆小的人来投资，明智的做法是找到能胜任的人员。

Pieter：随着新冠疫情的大流行，你们在这期间的合作模式一定发生了变化，为了确保团队能保持紧密合作，你们做了哪些事情？

Simon：新冠疫情显然意味着远程交流的时间要更长。我们发现，在线上交流真的非常高效。在这个过程中确实会减少一些自主能动性。但我们这个规模的团队足够紧密，去年的生产力可能没有下降。我们非常期待回到办公室，但我认为，工作模式将永远改变，一部分人会在办公室工作，另一部分人会远程工作。

真正的困难是去整合新人。我们一直期望那种与人相处时会产生一种特殊的化学反应，在建立团队关系的早期阶段，你需要更多这种化学反应。当然，很幸运我们能够继续成长，也募集了更多风投资金。

4

人脑的启发以及稀疏的必要性

Pieter：目前设计的芯片和人脑之间仍有很大差距——我并不是在说软件，尽管人类的大脑运行着更有趣的“软件”等等——就硬件来说，人脑平均消耗的能源大概是20瓦，与当前的芯片相比，功耗非常低。你怎么看这两者之间的对比？

Simon：有一个学派认为，我们应该建造与生物神经系统结构非常相似的硅处理器，我并不怎么认同这个观点。

我认为在电子学的物理特性中存在巨大的差异，而基底（substrate）上的差异可能要求采用不同的方法来生成计算结构。显然，尝试研究大脑来是如何计算的很有趣，我毫不怀疑通过这类研究我们学到了很多东西，并把它应用到未来的计算机上。但我最终还是不明白为什么硅计算机将具有和湿件计算机（wetware computer）相同的形态学。所以我不是神经形态学的倡导者。

就像现在所说的效率，在任何不可逆地执行程序的计算结构中，都存在计算效率的限制。这是一个稍微有点学术性的问题。

但如何高效计算是有一个基本的基于噪声的极限，事实上，在我们达到这个基本理论极限之前还有一种实用性（practical）极限。

现在大脑比电子芯片的计算效率高出两个数量级。但我们还没有完全理解大脑中的轴突，它们会传递电子这是比较容易理解的，那是一个基于电荷的信号系统，就像硅中的半导体一样，然而我们对神经元细胞本身的计算功能却知之甚少。

这似乎涉及到分子间的相互作用，比我们习惯使用的基于电荷的电子更高效。所以一些不同的东西可能会出现，日益强大的硅电子学使我们更接近大脑的能力，但出于根本性原因，硅永远不会达到大脑的功率效率。

还有另一个很大的问题，那就是大脑可能有100 TB的状态（state），大约有200万亿个突触。我不是生物学家，但我看到一些有趣的研究表明，一个突触中可以存储4或5位的信息。

现在我们可以构建一台有 100 TB状态的计算机———事实上，可以在一个火柴盒大小的空间中内置100 TB数据———但不幸的是，如果这台机器要像在大脑中那样快速获取状态，就会消耗大量的电能，不能像人脑那样消耗20瓦去做任何有用的事情。

对人类来说，关于大脑如何做到如此节能，就其能源管理而言，目前还是一个谜。人类大脑里有各种不同类型的轴突，进化的大脑在增加其容量方面做得很好，并且控制着能源消耗。我们对神经元细胞内部的运作原理了解得越多，就越意识到它相当复杂。

Pieter：你刚才提到有100 TB的信息存储在我们的大脑中，而我的Macbook Pro只有2TB。但现在在电脑上存储100 TB的数据并不难，这会让人想到将大脑的数据上传到电脑中，但还不清楚如何才能做到这一点。

Simon：绝对是这样。事实上，三星已经成功了，他们是内存领域的佼佼者，在不足一平方厘米的硅芯片成功地内置了1 TB内存，非常惊人。现在容量问题又是总计算量需求的问题之一。

举例来说，GPT3现在有1750亿个参数。今天训练它大概需要300 zettaFLOPS的算力。如果你想建立一个大型的计算基础设施来训练它，就要付出巨大成本（译者注：一次训练成本超过1200万美元）。

现在，如果我将这个模型的参数量扩展到大脑大小会发生什么？模型会增大一千倍，训练模型所需的能耗也会增加一千倍。但增加模型容量的目的是让它处理更多数据，因此训练的数据集也变得更大。如果你应用那些扩展定律（Scaling Laws），你最终需要庞大的算力，运行一次可能需要花费50亿美元。

那么很明显，我们必须确保能对每个数据进行推理，但它不必与系统中的每个参数交互，换句话说，就是稀疏性必不可少，否则神经网络范式将永远无法达到那样的规模。

如果神经网络是我们希望的通用计算结构，那不管它们的结构如何，大规模稀疏是必要的。我个人认为，有多种形式的稀疏最有前景，可能代表下一个神奇的“GPT突破性事件”。

那这是不是门控计算（Gated Computation）？诸如Switch Transformer中的稀疏门控专家混合层（Sparsely-Gated Mixture-of-Experts）之类的东西，一个接一个token通过神经网络的各个层。它们从非常多的数值中选择一组权重状态，这种形式已经被证明是非常有效的，但某种形式的稀疏是绝对不可避免的。

如果神经网络能够达到人类大脑的潜能，只有在拥有超人类能力的AI时，人工智能的一些应用才有用。假设你和一个人工智能医生互动，如果你不认为它比人类医生聪明，你就不会关注它。我们对人工智能的最低标准是它们比人聪明。

5

AI行业的未来发展

Pieter：你对人工智能的未来发展的更长远看法是什么？人工智能计算在其中会发挥什么作用？

Simon：很难想象计算的任何发展方向。我认为，仅仅通过让计算机参与到解决问题的过程中来，这还算不上创造了新的价值。

如果你认为程序只是解决问题的方法的一种表现，那么，目前为止所有的计算机都没有从根本上解决问题，尽管我们倾向于认为它们是解决问题的。

我们必须人工想办法解决这个问题，并把这个方法编写成一个程序，显然计算机运行速度比人类要快得多，并且计算机可以在大量数据上做到这一点。但严格来说，计算没有参与解决问题的过程（译者注：因为解决问题的方法还是人想出来的）。因此，当计算机有了能自己想出算法的能力，我们才可以说计算机能解决问题了。

还有一些事情是可行的，例如从英语翻译成俄语。我们可以合理地想象机器可以做得更好，无论是从经济角度还是其他角度来看。

AI、信息技术的突破被视为下一次工业时代，这将从根本上改变人们的生活方式，我希望主要是变得更好。回到250年前，如果你想完成任何工作，唯一的方法是靠人工，然后蒸汽机出现了，它的发明者无法想象现在每个人都开着汽车到处转悠，或者坐上飞机去其他地方的海滩上度假。

因此，你必须非常有想象力才能看到人工智能同样也有如此潜力。如果我们创建的东西要比人类聪明得多，接下来会发生什么，一切都是未知的。

（本文在已获得编译授权，因翻译引入的缪误由译者承担责任。原视频链接：https://www.youtube.com/watch?v=Bf2Ztmnrbzs）

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