欧洲RISC-V定制内核AI专家Semidynamics公布其运行LlaMA-2 70亿参数大语言模型 (LLM) 的‘一体式’ AI IP的张量单元效率数据。

Semidynamics的CEO Roger Espasa解释道：“传统的人工智能设计使用三个独立的计算元件：CPU、GPU（图形处理器单元）和通过总线连接的NPU（神经处理器单元）。这种传统架构需要DMA密集型编程，这种编程容易出错、速度慢、耗能大，而且必须集成三种不同的软件栈和架构。而且，NPU是固定功能的硬件，无法适应未来尚未发明的AI算法。”

“相反，Semidynamics重新发明了AI架构，并将这三个要素整合到一个单一的、可扩展的处理元件中。我们将RISC-V内核、处理矩阵乘法的张量单元（扮演NPU的角色）和处理类似激活的计算的矢量单元（扮演GPU的角色）组合到一个全集成的一体式计算元件，如图1所示。我们的新架构无DMA，使用基于ONNX和RISC-V的单个软件堆栈，在三个元件之间提供直接的零延迟连接。因此，性能更高，功耗更低，面积更好，实现更容易编程的环境，降低整体开发成本。除此之外，因为张量和矢量单元由灵活的CPU直接控制，我们可以部署任何现有或未来的AI算法，为客户的投资提供巨大保护。

图1 传统AI架构与Semidynamics的全新一体式集成解决方案对比

大语言模型 (LLM) 已成为AI应用的关键元件。LLM在计算上由自注意层主导，如图2详细所示。这些层包括五个矩阵乘法 (MatMul)、一个矩阵Transpose和一个SoftMax激活函数，如图2所示。在Semidynamics的一体式解决方案中，张量单元 (TU) 负责矩阵乘法，而向量单元（VU）可以有效地处理Transpose和SoftMax。由于张量和矢量单元共享矢量寄存器，因此可以在很大程度上避免昂贵的内存复制。因此，在将数据从MatMul层传输到激活层以及从激活层传回时，实现零延迟和零能耗。为了保持TU和VU持续繁忙，必须有效地将权重和输入从存储器提取到矢量寄存器中。为此，Semidynamics的Gazzillion™ Misses技术提供了前所未有的数据迁移能力。通过支持大量的运行中缓存未命中，可以提前提取数据，从而提高资源利用率。而且，Semidynamics的定制张量扩展包括为获取和转换2D贴片而优化的新矢量指令，极大地改进了张量处理。

图2  LLM的自注意层

Semidynamics在其一体式元件上运行了完整的LlaMA-2 70亿参数模型（BF16权重），使用 Semidynamics的ONNX运行时执行提供程序，并计算出模型中所有MatMul层的张量单元的利用率。结果如图3所示。将结果聚在一起，并按照A张量形状演示组织。LlaMA-2共有6种不同形状，如图3中的x轴标签所示。我们从中可以看出，大多数形状的利用率都在80%以上，与其他架构形成鲜明对比。结果是在最具挑战性的条件下收集的，即一批1和首个词元计算。为了补充这些数据，图4显示了大矩阵尺寸的张量单元效率，以展示张量单元和Gazzillion™技术的综合效率。图4标注了A+B矩阵大小。我们可以从中看出，随着矩阵的N、M、P维度中的元件数量的增加，总大小（以MB为单位）迅速超过任何可能的缓存/暂存区。该图表值得注意的是，无论矩阵的总大小如何，性能都稳定在略高于70%的水平。这一令人惊讶的结果要归功于Gazzilion技术能够在主存储器和张量单元之间维持较高的流数据速率。

图3张量A形组织的LlaMA-2张量单元效率

图4不同矩阵大小的8位（左侧）和16位矩阵（右侧）的张量单元利用率

Espasa总结说：“我们的全新一体式AI IP不仅具有出色的人工智能性能，而且编程也更容易，因为现在只有一个软件堆栈，而不是三个。开发人员可以使用已知的RISC-V堆栈，而且他们不必担心软件管理的本地SRAM或DMA。此外，Semidynamics提供了针对一体式AI IP优化的ONNX运行时，这使程序员能够轻松运行他们的ML模型。因此，我们的解决方案在程序员友好性和易于集成到新SOC设计方面迈出了一大步。借助一体式AI IP，我们的客户将能够以更好、更容易编程的硅的形式将所有这些好处传递给他们的客户、开发人员和用户。”

Semidynamics 

“此外，我们的一体式设计对未来AI/ML算法和工作负载的变化具有充分的弹性。对于启动一个在几年内不会上市的硅片项目的客户来说，这是一个巨大的风险保护。知道当您的硅片进入批量生产时您的AI IP仍然是相关的，这是我们技术的一个独特优势。”

2016年成立于西班牙巴塞罗那，Semidynamics^®是唯一完全可定制的RISC-V处理器IP提供商，专业提供高带宽、高性能内核，其矢量单元和张量单元面向机器学习和人工智能应用。我公司为私人公司，是RISC-V联盟的战略成员。