AI芯片市场飞速发展
2022-10-21
来源:芯路芯语
据TrendForce表示,在全球数字化、智能化的浪潮下,物联网设备不断扩增,例如工业机器人、AGV/AMR、智能型手机、智能音箱、智能摄影机等,加上自动驾驶、影像辨识、语音语意辨识、运算等技术在各领域深化应用催化AI芯片与技术市场迅速成长,预期2022年全球AI芯片市场规模将达到390亿美元,成长率18.2%。
由于目前AI芯片的应用以云端运算、安防、机器人与车用居多,2023年将进入高成长期,特别是由云端运算、车用两大领域引领市场快速成长,到2025年全球AI芯片市场规模有望达到740亿美元,2022~2025年CAGR将达到23.8%。
TrendForce表示,基于全球各种消费性电子产品和数字技术的日益普及,促进开云棋牌官网在线客服市场成长,亦让AI和物联网等最延伸性技术受到广泛应用,使AI芯片能在更短时间处理大量数据,故AI/ML(Machine Learning)、物联网与无线通讯设备领域快速成长同时,亦刺激对开云棋牌官网在线客服的需求。
再者,AI芯片在进行推理任务时,主要透过终端设备的传感器、麦克风阵列或镜头进行数据采集,并将收集的数据代入训练好的模型推理得出推理结果,以最大限度减少人为错误,这也说明不同终端场景,对算力、能耗等性能的需求也有差异,因此需对特定应用场景进行特殊设计,实现最优解决方案。
1. AI芯片正迅速扩大市场份额,呈稳健成长趋势
2020~2021年新冠疫情带动数字化浪潮,加上美国、中国与欧盟各国相继出台「数智能化发展策略」,催化国家暨产业数字转型,例如美国大力推进「美国制造」与「数字经济」进程,前者主要侧重开云棋牌官网在线客服产业,锁定IC设计、生产制程与核心设备;后者主要专注在数字美元,现正处于验证系统开发与法案拟定阶段。欧盟则是「欧洲数字罗盘(Europe's Digital Compass)」计划,其围绕人才培育、确保安全与永续、企业数字转型、公共服务数字化四大类,其中企业数字转型为重中之重,且期望至2030年有75%厂商能广泛使用云端运算、大数据与AI,至少90%以上中小企业应达到基本的数字密集程度。
各国政策驱使产业加快数字化步伐,也牵动数据中心成长,以及机器视觉、自动驾驶技术快速发展,加深仓储物流、供应链的物流运输、自驾车等领域应用,使全球AI芯片需求高涨,且快速扩大其在整体开云棋牌官网在线客服市场的市占率,其市占率从2020年的5.9%扩展到2021年的6.4%,市场规模也从2020年260亿美元增长到2021年330亿美元,成长幅度达到26.9%。
目前用于深度学习(Deep Learning,DL)最广泛的芯片,当属擅长并行运算的GPU,其随着深度学习对运算需求不断提升,以及为达到DNN(Deep Neural Network)的运算要求,NVIDIA、寒武纪、Google、Intel等厂商积极探索GPU在高效能运算方面的应用与突破,同时专注于高效能运算的芯片研发与相关生产计划。其中,部分厂商竭力寻求基于FPGA(现场可程序化逻辑匣阵列)架构的半客制化芯片,例如Google研发的张量运算处理器TPU、寒武纪研发的神经网络运算处理器NPU,以及Intel旗下的Altera Stratix V FPGA。此外,Intel也尝试推广面向不同品牌、不同种类硬件的XPU Programming,并以SYCL作为统一的程序设计语言且充分利用Intel oneAPI,使原本的开发框架从封闭性转为开放性,以期更有效支援开发人员构建高性能异构应用。
2. AI引领强算力时代,协同运行启动多场景应用
AI芯片大致可分为CPU、GPU、FPGA与ASIC(客制化芯片);其中,GPU是由大量运算单元组成的大规模并行运算架构,专为同时处理多重任务而设计,多应用于工作站、个人计算机、游戏设备、智能型手机等设备,处理图形、图像相关运算工作;再者,该芯片采用统一渲染架构,能在算法尚未定型的领域中使用,故通用性程度较高、商业化较成熟。
FPGA主要是能提供用户根据自身的需求进行重复程序设计,解决可程序化元件电路数不足问题,且运行效率高于GPU、CPU,功耗也相对较低,但当处理的任务重复性不强、逻辑较为复杂时,该芯片效率就会低于使用冯纽曼架构的处理器。
ASIC是一种根据特定算法、架构的客制化芯片,其客制化程度比GPU、FPGA更高、专用性较强,故运算水平一般高于CPU、GPU、FPGA,但初始投入大,且算法一旦改变,运算能力将大幅下降,需重新设计客制,不过随着数据量不断增加和芯片技术的极限到来,对算力的诉求越难以被满足。
尤其是部分特定领域的数据量日益庞大,算法逐渐固定,对以ASIC架构为基础设计而成的DPU、TPU与NPU之需求增加,特别是DPU,因DPU能部分取代CPU、GPU部分功能,解决数据量骤增而导致CPU与Memory间数据传输问题,改善并加速网络数据传输运算速度。目前广泛用在大型数据中心,因大型数据中心的流量处理需占据整体运算近30%,加上数据中心在节点间交换效率和节点内I/O切换效率偏低,故透过DPU与CPU、GPU协同运行能有效解决松耦合问题。
因此随着物联网设备不断扩增,例如工业机器人、AGV/AMR、智能型手机、智能音箱、智能摄影机等,加上自动驾驶、影像辨识、语音语意辨识、运算等技术在各领深化运用、升级,将催化AI芯片与技术市场迅速成长。
以2022年整体市场来看,在智能汽车、机器人与数据中心三大领域对AI芯片的需求将持续增加,进而不断提升运算能力、技术架构以满足此三大领域需求;其中,智能汽车方面,自汽车电子电气架构从分布式走向集中式,MPU、MCU需求逐年增加,加上现在电动车紧密贴合先进驾驶辅助系统(ADAS)技术应用,使车厂利用AI芯片解决复杂的运算条件、整车运行功耗与数据传输等问题,增强整车的稳定性、安全性。
此外,近年机器人的技术扩散相当快,应用场景已从工业环境延伸到饭店、餐厅、医院、仓储物流、国防与太空探索等,然为了让机器人能运行影像处理、人脸辨识等功能都会选择GPU、FPG。其中,FPGA使用率较高,因该芯片具有低功耗、高性能、可重配置能力与自我调整特征,并能将机器人作业系统(Robot Operating System,ROS)整合到FPGA平台,进而让机器人内部软硬件可有效交互,发挥最佳运行效能。
再者,当前机器人正快速朝向3D实体、工作分解结构(Work Breakdown Structure,WBS)与时间等多维度处理能力发展。有鉴于此,现阶段的GPU、FPGA架构将持续创新突破,甚至针对特殊需求进行设计,这势必牵引制造、封测与设备,以及材料与软件的全链同步升级。
综上所述,智能汽车、机器人和物联网技术,与其构建的智能交通、智能工厂和智能城市等新蓝海,对AI芯片市场需求与发展可期,同时也带动数据中心进一步成长,其在训练、创建新运算模型与维持中心服务器营运、电力控管皆使用到大量AI芯片,例如Tesla扩大其GPU驱动的AI Super,将A100 GPU配置数量增加到7,360个,提前为DoJo部署。百度自研二代崑仑芯片以增强量子运算效能,且于2022年8月推出超导量子计算机,以及全平台量子软硬件整合解决方案,可透过PC端、手机端、云端接入各种量子芯片。
在多方需求高涨下,AI芯片势必迅速成长,预期2026年AI芯片市场规模有望达到930亿美元,其中CPU与GPU仍占据AI芯片市场主要份额且稳健成长,而ASIC市场前景广阔,其优势与特性能协助在数据处理、消费性电子、电信系统、工业与其他产业的用户开发系列产品,缩短产品、服务或系统的创新周期。
TrendForce研究显示,CPU、GPU与ASIC芯片在2026年AI市场规模的比重将达33%、34%、26%,其中以ASIC芯片市场成长最快,原因有两点,其一,消费性电子设备市场需求增加,且多数用中小型设备开发商偏向7nm的ASIC。其二,5G、低轨道卫星通讯、云端与边缘运算的工作负载与结构化需求不断增加,因为电信系统是最大的终端使用市场。
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