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這項(xiàng)成果再度刷新光量子信息技術(shù)世界紀(jì)錄,求解高斯玻色取樣數(shù)學(xué)問題比目前全球最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快一億億倍,在研制量子計(jì)算機(jī)之路上邁出重要一步。中國(guó)光量子計(jì)算機(jī)最新進(jìn)展量子計(jì)算是后摩爾時(shí)代的一種新的計(jì)算范式,它在原理上具有超快的并行計(jì)算能力,可望通過特定量子算法在一些具有重大社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的問題方面,相比經(jīng)典計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)別的加速。因而,研制量子計(jì)算機(jī)是當(dāng)前世界科技前沿的最大挑戰(zhàn)之一。為此,國(guó)際學(xué)術(shù)界制定了三步走的發(fā)展路線。其中,第一步是實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”,即通過對(duì)近百個(gè)量子比特的高精度量子調(diào)控,對(duì)特定問題的求解展現(xiàn)超級(jí)計(jì)算機(jī)無法比擬的算力。同時(shí),在此過程中,發(fā)展出可擴(kuò)展的量子調(diào)控技術(shù),為具備容錯(cuò)能力的通用量子計(jì)算機(jī)的研制提供技術(shù)基礎(chǔ)。基于光子的玻色取樣和基于超導(dǎo)比特的隨機(jī)線路取樣是實(shí)驗(yàn)展示量子計(jì)算優(yōu)越性的兩個(gè)重要方案。潘建偉團(tuán)隊(duì)一直在光量子信息處理方面處于國(guó)際領(lǐng)先水平。2017年,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了世界首臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)(ENIAC)的光量子計(jì)算原型機(jī)。2019年,該團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了20光子輸入60模式干涉線路的玻色取樣,輸出復(fù)雜度相當(dāng)于48個(gè)量子比特的希爾伯特態(tài)空間,逼近了量子計(jì)算優(yōu)越性 。此后,研究團(tuán)隊(duì)通過自主研制同時(shí)具備高效率、高全同性、極高亮度和大規(guī)模擴(kuò)展能力的量子光源,同時(shí)滿足相位穩(wěn)定、全連通隨機(jī)矩陣、波包重合度優(yōu)于99.5%、通過率優(yōu)于98%的100模式干涉線路,相對(duì)光程10的負(fù)9次方以內(nèi)的鎖相精度,高效率100通道超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器。2020年12月4日,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)宣布該校潘建偉等人成功構(gòu)建76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”。這一突破使我國(guó)成為全球第二個(gè)(第一個(gè)為谷歌的Sycamore)實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”(國(guó)外稱“量子霸權(quán)”)的國(guó)家。2023年6月,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)發(fā)布消息稱,由潘建偉、陸朝陽、劉乃樂等組成的研究團(tuán)隊(duì),基于“九章”光量子計(jì)算原型機(jī)完成了對(duì)“稠密子圖”和“Max-Haf”兩類圖論問題的求解,比全球最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)使用當(dāng)前最優(yōu)經(jīng)典算法,精確模擬同一實(shí)驗(yàn)的速度快了約1.8億倍。九章開發(fā)團(tuán)隊(duì)聲稱當(dāng)求解5000萬個(gè)樣本的高斯玻色取樣時(shí),“九章”需200秒,而截至2020年世界最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”需6億年;當(dāng)求解100億個(gè)樣本時(shí),九章需10小時(shí),而富岳需1200億年。等效來看,“九章”的計(jì)算速度比谷歌的超導(dǎo)量子比特計(jì)算機(jī)“懸鈴木”快100億倍,并彌補(bǔ)了“懸鈴木”依賴樣本數(shù)量的技術(shù)漏洞。2021年10月26日,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院潘建偉、陸朝陽、劉乃樂等組成的研究團(tuán)隊(duì)與中科院上海微系統(tǒng)所、國(guó)家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作,發(fā)展了量子光源受激放大的理論和實(shí)驗(yàn)方法,構(gòu)建了113個(gè)光子144模式的量子計(jì)算原型機(jī)“九章二號(hào)”,并實(shí)現(xiàn)了相位可編程功能,完成了對(duì)用于演示“量子計(jì)算優(yōu)越性”的高斯玻色取樣任務(wù)的快速求解。根據(jù)現(xiàn)已正式發(fā)表的最優(yōu)經(jīng)典算法理論,“九章二號(hào)”處理高斯玻色取樣的速度比目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快10的24次方倍(億億億倍)。如今,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)團(tuán)隊(duì)又成功構(gòu)建了255個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章三號(hào)”。據(jù)介紹,科研人員設(shè)計(jì)時(shí)空解復(fù)用的光子探測(cè)新方法,構(gòu)建高保真度的準(zhǔn)光子數(shù)可分辨探測(cè)器,提升了光子操縱水平和量子計(jì)算復(fù)雜度。根據(jù)公開正式發(fā)表的最優(yōu)經(jīng)典精確采樣算法,“九章三號(hào)”處理高斯玻色取樣的速度比上一代“九章二號(hào)”提升一百萬倍?!熬耪氯?hào)”在百萬分之一秒時(shí)間內(nèi)所處理的最高復(fù)雜度的樣本,需要當(dāng)前最強(qiáng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)“前沿”花費(fèi)超過二百億年的時(shí)間。這一成果進(jìn)一步鞏固了我國(guó)在光量子計(jì)算領(lǐng)域的國(guó)際領(lǐng)先地位。量子計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程量子計(jì)算(quantum computation)的概念最早由阿崗國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的P. Benioff于80年代初期提出,他提出二能階的量子系統(tǒng)可以用來仿真數(shù)字計(jì)算;稍后費(fèi)曼也對(duì)這個(gè)問題產(chǎn)生興趣而著手研究,并在1981年于麻省理工學(xué)院舉行的First Conference on Physics of Computation演講中,勾勒出以量子現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)計(jì)算的愿景。1985年,牛津大學(xué)的D. Deutsch提出量子圖靈機(jī)(quantum Turing machine)的概念,量子計(jì)算才開始具備了數(shù)學(xué)的基本型式。然而上述的量子計(jì)算研究多半局限于探討計(jì)算的物理本質(zhì),還停留在相當(dāng)抽象的層次,尚未進(jìn)一步跨入發(fā)展算法的階段。1994年,貝爾實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用數(shù)學(xué)家P. Shor指出,相對(duì)于傳統(tǒng)電子計(jì)算器,利用量子計(jì)算可以在更短的時(shí)間內(nèi)將一個(gè)很大的整數(shù)分解成質(zhì)因子的乘積。這個(gè)結(jié)論開啟量子計(jì)算的一個(gè)新階段:有別于傳統(tǒng)計(jì)算法則的量子算法(quantum algorithm)確實(shí)有其實(shí)用性。自此之后,新的量子算法陸續(xù)的被提出來,而物理學(xué)家接下來所面臨的重要的課題之一,就是如何去建造一部真正的量子計(jì)算器,來執(zhí)行這些量子算法。許多量子系統(tǒng)都曾被點(diǎn)名做為量子計(jì)算器的基礎(chǔ)架構(gòu),例如光子的偏振(photon polarization)、腔量子電動(dòng)力學(xué)(cavity quantum electrodynamics,CQED)、離子阱(ion trap)以及核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR)等等。截止到2017年,考慮到系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和操控精度等因素,離子阱與超導(dǎo)系統(tǒng)走在了其它物理系統(tǒng)的前面。2019年8月,中國(guó)量子計(jì)算研究獲重要進(jìn)展,中科院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉與陸朝陽、霍永恒等人領(lǐng)銜,和多位國(guó)內(nèi)及德國(guó)、丹麥學(xué)者合作,在國(guó)際上首次提出一種新型理論方案,在窄帶和寬帶兩種微腔上成功實(shí)現(xiàn)了確定性偏振、高純度、高全同性和高效率的單光子源,為光學(xué)量子計(jì)算機(jī)超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)奠定了重要的科學(xué)基礎(chǔ)。2021年10月,中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院科研團(tuán)隊(duì)在超導(dǎo)量子和光量子兩種系統(tǒng)的量子計(jì)算方面取得重要進(jìn)展,中國(guó)科大團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步成功研制了113光子的可相位編程的“九章二號(hào)”和56比特的“祖沖之二號(hào)”量子計(jì)算原型機(jī),使我國(guó)成為唯一在光學(xué)和超導(dǎo)兩種技術(shù)路線都達(dá)到了“量子計(jì)算優(yōu)越性”的國(guó)家。如今,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽等組成的研究團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、國(guó)家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作成功構(gòu)建的255個(gè)光子的“九章三號(hào)”量子計(jì)算原型機(jī),無疑讓全球量子計(jì)算領(lǐng)域又向前邁進(jìn)一大步。小結(jié)量子計(jì)算是指一種新型計(jì)算模式,從計(jì)算效率來看,由于量子力學(xué)疊加性的存在,某些已知的量子算法在處理問題時(shí)速度要比傳統(tǒng)的通用計(jì)算機(jī)快很多。在光量子計(jì)算領(lǐng)域,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)先后構(gòu)建了光量子原型機(jī)“九章”、“九章二號(hào)”、“九章三號(hào)”,不斷刷新光量子信息技術(shù)世界紀(jì)錄,鞏固我國(guó)在光量子計(jì)算領(lǐng)域的國(guó)際領(lǐng)先地位。
中國(guó)光量子計(jì)算機(jī)最新進(jìn)展
量子計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程
小結(jié)
誰是生成式AI最大的受益者?至少在芯片產(chǎn)業(yè)鏈,一定是GPGPU(通用圖形處理器)絕對(duì)龍頭英偉達(dá)。在AI芯片,在GPGPU領(lǐng)域,天下英雄誰敵手?答案是沒有。在優(yōu)良業(yè)績(jī)的助推下,英偉達(dá)一度站上一萬億美元市值。這是芯片行業(yè)內(nèi)其他公司難以企及的高度,其市值也達(dá)到芯片巨人英特爾的七倍。作為英偉達(dá)的創(chuàng)始人,黃仁勛究竟有什么魔法把公司帶到如此高度。從近日黃仁勛在臺(tái)大的演講中,或能窺得一二?!皩W(xué)會(huì)放棄,是邁向成功的核心關(guān)鍵。”黃仁勛是這樣說的,也是這樣做的。十年前的2013年,英特爾還在耗費(fèi)巨資補(bǔ)貼移動(dòng)端平板廠商;華為憑借P6手機(jī),帶領(lǐng)海思K3V2芯片初露鋒芒。而英偉達(dá),卻漸漸淡出了彼時(shí)風(fēng)頭正盛的移動(dòng)端SoC市場(chǎng)?!拔覀兊姆艞壂@得了回報(bào),我們創(chuàng)造了一個(gè)新的市場(chǎng)——機(jī)器人技術(shù)。擁有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器和運(yùn)行AI算法的安全架構(gòu)。”黃仁勛說道。但任何人無法僅靠“放棄”獲得成功。放棄之外,黃仁勛更多的是“專注”。芯謀研究總監(jiān)李國(guó)強(qiáng)告訴《每日經(jīng)濟(jì)新聞》記者:“(英偉達(dá)的成果)源自它的專注,其長(zhǎng)期專注于GPU領(lǐng)域,又趕上了AI生態(tài)的爆發(fā)。這兩個(gè)方面造成英偉達(dá)成為全球芯片產(chǎn)業(yè)王者?!鄙岬梅艞壍摹翱袢恕鄙碇A克的“狂人”,這是業(yè)界對(duì)黃仁勛的印象,游戲玩家們?cè)诟鞔笳搲幸渤3SH切地喊他“老黃”。由于英偉達(dá)每一階顯卡,在價(jià)格和性能上只比次一階高一些,因此黃仁勛也被稱為“刀客”,這種錯(cuò)落有致的各階顯卡布局,也被叫做“老黃刀法”。在這次演講中,老黃一改“皮衣刀客”的狂人形象,穿起了禮服,顯得溫文儒雅。演講中,黃仁勛講了一個(gè)有趣的故事。十年前,臺(tái)大陳教授邀請(qǐng)他來看其物理實(shí)驗(yàn)室,只見整個(gè)房間都是英偉達(dá)的游戲顯卡,插在開放式電腦的主機(jī)板上,金屬架上都是散熱用的大風(fēng)扇。陳教授告訴他:“黃先生,因?yàn)槟愕年P(guān)系,我可以完成我的事業(yè)。”陳教授的話深深地感染了黃仁勛,“(陳教授)說的那些話至今仍感動(dòng)我,完美詮釋了我們公司的價(jià)值:幫助這個(gè)時(shí)代的愛因斯坦與達(dá)芬奇完成他們的事業(yè)。”愛因斯坦在創(chuàng)立廣義相對(duì)論的過程中,曾尋求同時(shí)代數(shù)學(xué)家的幫助。而在如今這個(gè)時(shí)代,無論AI,亦或物理學(xué)、生物學(xué)的研究,都離不開算力的支持。英偉達(dá),正是AI芯片的領(lǐng)軍者。“放棄”與“專注”,可謂黃仁勛成功的關(guān)鍵。十年前,AI并不興盛,行業(yè)里關(guān)注的焦點(diǎn)是移動(dòng)端。智能手機(jī)、平板的大爆發(fā),使得移動(dòng)端芯片成為各大芯片巨頭的“兵家必爭(zhēng)之地”。英偉達(dá)在移動(dòng)端“起得早”,卻最終放棄。據(jù)英偉達(dá)官網(wǎng),早在2008年,英偉達(dá)就推出針對(duì)移動(dòng)端的Tegra芯片;2011年5月,為了補(bǔ)基帶的短板,英偉達(dá)又收購了Icera公司,后者在針對(duì)3G和4G網(wǎng)絡(luò)的手機(jī)、平板電腦的高性能基帶處理器領(lǐng)域一直是領(lǐng)先的創(chuàng)新者。當(dāng)時(shí),黃仁勛宣稱:“這是英偉達(dá)在移動(dòng)計(jì)算革命浪潮中成為領(lǐng)先公司的關(guān)鍵一步。通過將Icera公司的技術(shù)整合到Tegra中,我們將開發(fā)出一個(gè)極佳的平臺(tái),用以支持行業(yè)中最好的手機(jī)和平板電腦?!敝皇牵谶@輪移動(dòng)計(jì)算革命浪潮中,英偉達(dá)失敗了,勝利屬于蘋果、高通和聯(lián)發(fā)科。2013年,英偉達(dá)在拉斯維加斯國(guó)際消費(fèi)電子展上發(fā)布Tegra4,這款芯片也成為英偉達(dá)在手機(jī)芯片領(lǐng)域的“絕唱”。此后,Tegra系列芯片主要應(yīng)用在任天堂Switch主機(jī)上。AI芯片獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷盡管當(dāng)下手機(jī)芯片行業(yè)不景氣,但這依舊是一個(gè)巨大的市場(chǎng)。十年前,要做出放棄手機(jī)芯片市場(chǎng)的決定,更是非常艱難。但黃仁勛選擇放棄一個(gè)規(guī)模巨大的市場(chǎng),去創(chuàng)造一個(gè)未知的市場(chǎng)。在演講中,黃仁勛感嘆:“從巨大的手機(jī)市場(chǎng)撤退,再創(chuàng)造一個(gè)不知道市場(chǎng)規(guī)模的機(jī)器人市場(chǎng)。然而,現(xiàn)在的我們擁有數(shù)十億美元的自動(dòng)駕駛、機(jī)器人技術(shù)的事業(yè),也開創(chuàng)一個(gè)新的產(chǎn)業(yè)?!痹谧烂鍯PU,英特爾、AMD雙雄并立;在移動(dòng)端SoC,蘋果小幅領(lǐng)先,高通、聯(lián)發(fā)科、紫光展銳等公司各領(lǐng)風(fēng)騷。在AI芯片領(lǐng)域,不乏AMD、英特爾這樣的老牌芯片巨頭,也有芯片大神Jim Keller帶領(lǐng)下的初創(chuàng)公司Tenstorrent。盡管巨頭云集,大神匯聚,英偉達(dá)依然能夠“一騎絕塵”。為何沒有敵手?“英偉達(dá)贏在CUDA(Compute Unified Device Architecture,英偉達(dá)推出的通用并行計(jì)算架構(gòu)),贏在軟件。”一位前券商分析師如此回復(fù)記者。其后,《每日經(jīng)濟(jì)新聞》采訪了多名行業(yè)專家及GPGPU行業(yè)工程師,CUDA幾乎均被提及。由CUDA構(gòu)建的軟件生態(tài),是英偉達(dá)能夠獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷的關(guān)鍵。英偉達(dá)領(lǐng)先其他GPGPU廠商的優(yōu)勢(shì)到底有多大?“院士與高中生的差別?!毙酒こ處熈诌_(dá)(化名)告訴記者。那英偉達(dá)跟AMD呢?“院士和大學(xué)教授吧?!逼浠貜?fù)道。拉開差距的關(guān)鍵,在于生態(tài)?!吧鷳B(tài)是第一位,(CUDA)跟安卓系統(tǒng)很像,太成熟、太方便,生態(tài)太強(qiáng)了。就像可樂一樣,程序員已經(jīng)習(xí)慣(CUDA)這個(gè)飲料了。而(CUDA)把門檻搞得很低,就好像你數(shù)學(xué)差,但是你會(huì)用計(jì)算器?!绷诌_(dá)向記者解釋。那么其他AI芯片公司能否使用類似CUDA的工具?比如AMD推出的ROCm(Radeon Open Compute Platform)以及非盈利組織Khronos Group推出的OpenAI。林達(dá)舉例回復(fù)稱:“跟你買螺絲、扳手一樣。你也可以不通用,但是沒人陪你玩啊。AMD也搞了個(gè),但是自己都不用?!避浖鷳B(tài)無可替代與非網(wǎng)資深行業(yè)分析師張慧娟向記者解釋道:“英偉達(dá)2006年就推出CUDA了。正是CUDA的推出,降低了GPU的應(yīng)用門檻。軟件開發(fā)者可以通過CUDA使用C/C++等語言,來編寫GPU片上程序,降低了GPU的應(yīng)用門檻。也是從那時(shí)開始,GPU逐漸脫離了圖像處理這一單一用途。它不僅僅可以用于圖像處理,也可以用于高性能計(jì)算?!焙?jiǎn)單說,CUDA降低了GPU的門檻,使得GPU的應(yīng)用領(lǐng)域從圖像渲染拓展到方方面面,真正成為通用型處理器,因此也有了GPGPU(通用圖形處理器)的說法?!坝ミ_(dá)所有架構(gòu)都在CUDA之上,一直從頭走到現(xiàn)在,包含了很多層級(jí)在里面,包括編譯器、調(diào)試器、豐富的庫函數(shù)、各種軟件工具,是很龐大的資源。假設(shè)現(xiàn)在有一個(gè)新的硬件平臺(tái),但是不兼容CUDA,那么對(duì)開發(fā)者來說就意味著大量的軟件移植工作。因此一些平臺(tái)可能會(huì)選擇兼容CUDA,也就是CUDA加速的軟件可以跑在他的硬件上,不過實(shí)際的效率和性能表現(xiàn),都有待觀察,這也是CUDA生態(tài)環(huán)境的強(qiáng)大之處?!睆埢劬暄a(bǔ)充表示。國(guó)內(nèi)頭部GPGPU廠商工程師劉默(化名)6月5日告訴記者:“經(jīng)過多年的建設(shè),英偉達(dá)的CUDA已經(jīng)有400萬開發(fā)者,基本形成了壟斷態(tài)勢(shì)的生態(tài)壁壘,而軟件生態(tài)恰恰是下游客戶最為重視的產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)要素,這是英偉達(dá)相對(duì)于AMD、Intel以及其他初創(chuàng)企業(yè)的最大優(yōu)勢(shì)。”既然CUDA如此重要,其他廠商可以提供自己的硬件,然后使用CUDA生態(tài)嗎?在這個(gè)問題上,劉默認(rèn)為:“CUDA是一個(gè)完全封閉的系統(tǒng),目前可以真正兼容CUDA,或者說叫使用CUDA的企業(yè)(除英偉達(dá)自身外)就AMD一家,AMD和英偉達(dá)之間有相關(guān)的IP授權(quán),這樣英偉達(dá)的MI系列GPGPU可以使用CUDA。但其他初創(chuàng)企業(yè)都不能直接使用CUDA。目前初創(chuàng)企業(yè)有兩種思路,第一種往往是AMD系出來創(chuàng)業(yè)的企業(yè),由于其芯片架構(gòu)類似AMD的產(chǎn)品,因此硬件條件上可以直接使用CUDA,但由于IP的問題,對(duì)方會(huì)在CUDA的基礎(chǔ)上微調(diào)出自己的軟件棧,這種雖然便于用戶從CUDA環(huán)境遷移過去,但存在IP的風(fēng)險(xiǎn);第二種就是完全原創(chuàng)的軟件棧,這種最大的問題就是客戶存在一定的遷移成本,對(duì)商業(yè)落地產(chǎn)生負(fù)面影響。”電子創(chuàng)新網(wǎng)CEO張國(guó)斌也對(duì)記者表示:“讓NVIDIA自己開放CUDA硬件,以便其他廠商將CUDA集成到自己的芯片中,并運(yùn)行自己為CUDA開發(fā)的軟件,這種可能性是沒有的,黃仁勛已經(jīng)徹底否定了,畢竟CUDA在這方面是領(lǐng)先對(duì)手的,NVIDIA不可能將自己的優(yōu)勢(shì)開放給其他廠商甚至對(duì)手?!迸馨?!無論如何都要保持奔跑在演講中,黃仁勛寄語學(xué)子:“你們即將進(jìn)入一個(gè)正在經(jīng)歷巨大變革的世界,就像我畢業(yè)時(shí)遇到個(gè)人電腦和芯片革命時(shí)一樣,你們正處于AI的起跑線上。每個(gè)行業(yè)都將被革命、重生,為新思想做好準(zhǔn)備。不論是為了食物而奔跑,或不被他人當(dāng)做食物而奔跑。你往往無法知道自己正處在哪一種情況,但無論如何,都要保持奔跑。”李國(guó)強(qiáng)表示:“英偉達(dá)很早就開始進(jìn)入GPU的研發(fā),且長(zhǎng)期專注于GPU。在AI領(lǐng)域,需要的是高算力并行計(jì)算,最適合的就是GPU。(英偉達(dá))核心產(chǎn)品還是GPU,別的東西也有嘗試,后來都是慢慢退出?!贝送?,英偉達(dá)所建立的優(yōu)勢(shì),并不局限于CUDA生態(tài),還有硬件架構(gòu)與制程。張慧娟表示:“對(duì)于所有芯片而言,硬件架構(gòu)是基礎(chǔ),它就像房子的框架。比如H100,就采用最新一代Hopper架構(gòu),該架構(gòu)針對(duì)大模型就有一些跨單元的協(xié)同計(jì)算,擁有更好的加速能力。其最新推出的GH200,則屬于異構(gòu)集成架構(gòu),它采用英偉達(dá)自己的Grace CPU和H100 GPU,在CPU和GPU中間采取自己的NVLink互連技術(shù)。這樣的架構(gòu)解決了很多數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i,把CPU與GPU之間的帶寬大大提高了?!边@兩款產(chǎn)品,是英偉達(dá)即將推出的新品。目前全球大模型訓(xùn)練,使用最多的仍是英偉達(dá)A100。張慧娟認(rèn)為:“A100采用的還是上一代的安倍架構(gòu),這個(gè)架構(gòu)也針對(duì)AI提升了它的計(jì)算性能吞吐量,包括更大的內(nèi)存、更高的帶寬,這些對(duì)于大規(guī)模計(jì)算都是必不可少的。我們只是看了最新兩代的架構(gòu),再往前看,英偉達(dá)從面向游戲,到面向高性能計(jì)算,一代一代架構(gòu)演進(jìn),這對(duì)它來講是非常重要的。”英特爾曾施行Tick-Tock(一年升級(jí)制程、一年升級(jí))策略,后因制程長(zhǎng)期卡在10納米而難以推行。而英偉達(dá),從2008年推出特斯拉架構(gòu),到2022年推出Hopper架構(gòu),一共推出9代架構(gòu),甚至不到兩年就推出一代架構(gòu)。此外,由于跟臺(tái)積電的密切合作,英偉達(dá)使用的制程一直是最先進(jìn)的。頭豹研究院TMT行業(yè)高級(jí)分析師陳文廣告訴記者:“H100 采用了臺(tái)積電 4nm 工藝,集成了 800 億個(gè)晶體管,比上一代A100足足多了260億個(gè),是目前全球范圍內(nèi)最大的加速器;其CUDA核心數(shù)量則飆升到了前所未有的16896個(gè),達(dá)到A100的2.5倍。浮點(diǎn)計(jì)算和張量核心運(yùn)算能力也隨之翻了至少3倍,比如FP32就達(dá)到了達(dá)到60萬億次/秒。更重要的是,H100面向AI計(jì)算,針對(duì)Transformer搭載了優(yōu)化引擎,使大模型訓(xùn)練速度直接提升了6倍以上。這意味著,無論是訓(xùn)練1750億參數(shù)的GPT-3 ,還是3950億參數(shù)的Transformer大模型,H100都能將訓(xùn)練時(shí)間從之前的一周縮短到1天之內(nèi)。這些突破性的技術(shù)創(chuàng)新幫助英偉達(dá)保持在高端芯片市場(chǎng)的絕對(duì)領(lǐng)導(dǎo)地位?!被蛟S,就如同黃仁勛所言,英偉達(dá)“一直在奔跑”。其對(duì)學(xué)子們表示:“無論是什么,像我們一樣全力以赴去追求它,跑吧!不要慢慢走?!笔堑?,跑吧!不要慢慢走。正是在不斷奔跑中,英偉達(dá)逐步站上全球芯片之巔。在GPU領(lǐng)域,曾經(jīng)的王者3DX、ATI陸續(xù)被收購,唯有英偉達(dá)屹立不倒。在GPU軟件生態(tài)中,也涌現(xiàn)出微軟DirectX、ATI Stream,但在這場(chǎng)長(zhǎng)跑中,勝者屬于CUDA。而專注,或許是英偉達(dá)能從長(zhǎng)跑中勝出的原因。微軟的重心不在GPU軟件生態(tài),ATI被AMD收購之后,AMD也更傾向于CPU與GPU的異構(gòu)協(xié)同。軟件是這樣,硬件同樣如此。在李國(guó)強(qiáng)看來,英特爾、AMD都是橫跨CPU、GPU和FPGA的龍頭,而英偉達(dá)長(zhǎng)期專注GPU。誰能撼動(dòng)英偉達(dá)?長(zhǎng)期專注、不斷奔跑,奠基了英偉達(dá)芯片帝國(guó)的霸業(yè)。而在異構(gòu)計(jì)算大潮下,英偉達(dá)也布局多類型芯片。比如前文提及的GH200,就融合了英偉達(dá)基于ARM架構(gòu)的CPU和自身GPU。除此之下,英偉達(dá)還通過收購,推出DPU產(chǎn)品。2020年上半年,英偉達(dá)以69億美元對(duì)價(jià)收購以色列網(wǎng)絡(luò)芯片公司Mellanox Technologies,并于同年推出BlueField-2 DPU,將其定義為繼CPU、GPU之后的“第三顆主力芯片”。CPU、GPU人們已經(jīng)比較熟悉,DPU又是做什么的?據(jù)英偉達(dá)官網(wǎng),DPU是一個(gè)用于數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的先進(jìn)計(jì)算平臺(tái),可大規(guī)模提供加速的軟件定義網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)、安全和管理服務(wù)。張慧娟向記者解釋:“隨著數(shù)據(jù)量越來越大,使用傳統(tǒng)的CPU處理已經(jīng)跟不上數(shù)據(jù)的爆發(fā)。尤其是短視頻、視覺類應(yīng)用,數(shù)據(jù)量是爆炸式、指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的,DPU應(yīng)運(yùn)而生。此前,一些FPGA廠商也在進(jìn)行這方面的探索,自英偉達(dá)收購了這家DPU公司之后,DPU這個(gè)市場(chǎng)被迅速帶火了,AMD(2022年斥資19億美元)收購DPU芯片廠商Pensando,國(guó)內(nèi)也涌現(xiàn)出好幾家DPU創(chuàng)業(yè)公司?!痹谶@輪“第三顆主力芯片”大潮中,英偉達(dá)也在構(gòu)建自身的軟件生態(tài),其于2021年推出DOCA。何為DOCA?英偉達(dá)簡(jiǎn)單直接地解釋道:“DOCA之于DPU,正如CUDA之于GPU。”“如果說CUDA是GPU的靈魂,那么DOCA就是DPU的靈魂。因?yàn)樾酒绻麤]有好用的軟件配合,就是一個(gè)(干巴巴的)硬件。就如同手機(jī),假如沒有豐富的APP,可能就只能打電話。正是因?yàn)橛辛塑浖岄_發(fā)者開發(fā)出各種各樣的應(yīng)用,硬件的應(yīng)用才如此豐富?!睆埢劬瓯硎尽Mㄟ^硬件架構(gòu)和軟件生態(tài),英偉達(dá)已經(jīng)在GPU領(lǐng)域構(gòu)建強(qiáng)大的壁壘。在DPU領(lǐng)域,英偉達(dá)似乎也要如法炮制。誰能撼動(dòng)英偉達(dá)的地位呢?目前可能還沒有?!俺怯ミ_(dá)自己出現(xiàn)重大失誤,但是這樣的可能性很小?!睆垏?guó)斌表示。劉默認(rèn)為:“AMD的MI300是目前從硬件水平和軟件生態(tài)上最接近H100的產(chǎn)品,無論是國(guó)外的初創(chuàng)公司例如Graphcore,還是國(guó)內(nèi)的幾家企業(yè),目前還沒有能夠替代英偉達(dá)H100的產(chǎn)品。此外,英偉達(dá)依靠其巨大的出貨量以及在芯片制造上的投入,已經(jīng)和臺(tái)積電形成了緊密的合作,而非簡(jiǎn)單的客戶與供貨商關(guān)系。比如H100使用的4nm制程,就是英偉達(dá)和臺(tái)積電在公版5nm制程的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化后的特制版本?!痹?jīng)在桌面CPU領(lǐng)域,英特爾也是一騎絕塵。因?yàn)轭I(lǐng)先太多,還有“i3默秒全”的說法,即i3在默認(rèn)頻率下就能秒AMD全系列。然而AMD在蘇姿豐的帶領(lǐng)下,如今已成功與英特爾平分秋色。AMD還能在GPU領(lǐng)域上演奇跡嗎?李國(guó)強(qiáng)認(rèn)為:“確實(shí)存在這種可能。但英特爾之所以會(huì)被AMD趕上來,根本性原因在于其在晶圓制造技術(shù)上。當(dāng)時(shí)英特爾在10納米節(jié)點(diǎn)停滯了,但AMD是Fabless模式,通過與臺(tái)積電合作才翻身。而英偉達(dá)本身就和臺(tái)積電密切合作?!币恢痹诒寂艿挠ミ_(dá),一直在奔跑的黃仁勛,誰又能顛覆呢?
機(jī)器人的“器官”:探索它們的芯片與電子元器件。機(jī)器人的智能芯片在現(xiàn)代機(jī)器人中,智能芯片是不可或缺的一部分。這些芯片可以使機(jī)器人感知周圍環(huán)境、做出反應(yīng),并執(zhí)行各種任務(wù)。例如,視覺芯片可以幫助機(jī)器人識(shí)別物體和人臉,運(yùn)動(dòng)控制芯片可以幫助機(jī)器人實(shí)現(xiàn)精確的運(yùn)動(dòng)控制,語音識(shí)別芯片可以使機(jī)器人理解人類語言并進(jìn)行交互。機(jī)器人的主控芯片主控芯片是機(jī)器人的“大腦”,它負(fù)責(zé)控制機(jī)器人的各個(gè)部分進(jìn)行協(xié)調(diào)和運(yùn)作。這些芯片通常需要具有高速運(yùn)算能力和大容量存儲(chǔ)空間,以確保機(jī)器人能夠有效地完成各種任務(wù)。例如,ARM芯片是一種廣泛應(yīng)用于機(jī)器人領(lǐng)域的主控芯片,它能夠提供高性能運(yùn)算和低功耗消耗,非常適合于機(jī)器人的控制。機(jī)器人的傳感器機(jī)器人需要通過傳感器來感知周圍環(huán)境,以便做出各種反應(yīng)。例如,超聲波傳感器可以幫助機(jī)器人進(jìn)行距離測(cè)量和障礙物識(shí)別,紅外傳感器則可以幫助機(jī)器人檢測(cè)周圍的溫度和光線強(qiáng)度。此外,機(jī)器人還可以使用壓力傳感器、力傳感器等傳感器來感知外部力的作用,從而保持穩(wěn)定和平衡。機(jī)器人的執(zhí)行器機(jī)器人的執(zhí)行器是機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)作的關(guān)鍵部分。機(jī)器人的執(zhí)行器通常包括電機(jī)、舵機(jī)等,它們可以幫助機(jī)器人進(jìn)行精確的運(yùn)動(dòng)控制。例如,機(jī)器人的輪子使用電機(jī)驅(qū)動(dòng),機(jī)器人的手臂和腿部則使用舵機(jī)來實(shí)現(xiàn)精確的運(yùn)動(dòng)控制??偨Y(jié):機(jī)器人的芯片和電子元器件是機(jī)器人的“器官”,它們是機(jī)器人能夠執(zhí)行各種任務(wù)的基礎(chǔ)。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,機(jī)器人的芯片和電子元器件也將不斷更新和進(jìn)化,為機(jī)器人帶來更強(qiáng)大的執(zhí)行能力和更廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。
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