华为昇腾
华为昇腾是国产AI芯片的代表产品,基于自研达芬奇架构, 在训练和推理场景都展现出强大的竞争力。
预计阅读时间:50分钟·难度:中级·更新时间:2024年4月
昇腾概述
发展历程
华为昇腾AI处理器是华为全栈全场景AI解决方案的核心, 从2018年发布至今,已迭代多个版本。
昇腾发展里程碑
- 2018年:昇腾310发布,主打边缘推理
- 2019年:昇腾910发布,主打云端训练
- 2020年:ModelArts全面支持昇腾
- 2022年:昇腾910B发布,性能大幅提升
- 2023年:Atlas 900集群规模突破
- 2024年:新一代昇腾芯片研发中
市场定位
昇腾产品矩阵
昇腾产品定位: 昇腾910系列 (Ascend 910) ├── 定位: 云端训练 ├── 场景: 大模型训练、AI超算 ├── 竞品: NVIDIA A100/H100 └── 特点: 高算力、高带宽 昇腾310系列 (Ascend 310) ├── 定位: 边缘推理 ├── 场景: 视频分析、智能终端 ├── 竞品: NVIDIA T4/Jetson └── 特点: 低功耗、高能效
达芬奇架构
达芬奇架构是华为自研的AI计算架构,采用3D Cube计算引擎, 针对矩阵运算进行了深度优化。
Cube计算引擎
Cube是达芬奇架构的核心,专为矩阵乘法设计。
Cube架构特点
达芬奇架构核心组件: ┌─────────────────────────────────────────────┐ │ AI Core (达芬奇核心) │ ├─────────────────────────────────────────────┤ │ ┌─────────────┐ ┌─────────────────┐ │ │ │ Cube Engine │ │ Vector Engine │ │ │ │ 矩阵计算 │ │ 向量计算 │ │ │ │ 16x16x16 │ │ FP32/FP16/INT8 │ │ │ └─────────────┘ └─────────────────┘ │ │ │ │ ┌─────────────┐ ┌─────────────────┐ │ │ │ Scalar │ │ Memory │ │ │ │ 标量计算 │ │ Unified Buffer│ │ │ └─────────────┘ └─────────────────┘ │ └─────────────────────────────────────────────┘ Cube引擎特点: - 单周期完成16x16x16矩阵乘累加 - 专为卷积和矩阵运算优化 - 支持多种精度(FP32/FP16/INT8) - 高效的数据重用机制
Vector计算引擎
Vector引擎功能
- 激活函数:ReLU、Sigmoid、TanH等
- 归一化:BatchNorm、LayerNorm
- 池化操作:MaxPool、AvgPool
- 向量运算:加减乘除、点积
产品系列
昇腾910系列
昇腾910是面向云端训练的高端AI处理器,性能对标NVIDIA A100。
昇腾910B规格
| 指标 | 昇腾910B | NVIDIA A100 |
|---|---|---|
| FP16算力 | 376 TFLOPS | 312 TFLOPS |
| INT8算力 | 752 TOPS | 624 TOPS |
| 显存容量 | 64GB HBM2e | 80GB HBM2e |
| 显存带宽 | 1.6 TB/s | 2.0 TB/s |
| 功耗 | 310W | 400W |
| 制程 | 7nm+ | 7nm |
昇腾310系列
昇腾310是面向边缘推理的低功耗AI处理器。
昇腾310规格
| 指标 | 昇腾310 |
|---|---|
| INT8算力 | 22 TOPS |
| 功耗 | 8W |
| 典型场景 | 视频分析、智能摄像头 |
| 支持框架 | MindSpore、TensorFlow、Caffe |
软件生态
MindSpore
MindSpore是华为自研的深度学习框架,与昇腾硬件深度优化。
MindSpore特点
MindSpore核心优势: 1. 自动并行 - 自动切分模型和数据 - 支持 DP/MP/PP 混合并行 2. 全场景支持 - 云端训练、边缘推理、端侧部署 - 一次开发,多处部署 3. 科研友好 - 动态图模式便于调试 - 静态图模式高效执行 4. 安全可信 - 数据隐私保护 - 模型保护机制
CANN
CANN(Compute Architecture for Neural Networks)是昇腾的算子开发框架。
CANN架构层次
- Ascend CL:底层计算接口
- Ascend算子库:预置算子集合
- Graph Engine:计算图优化引擎
- Runtime:运行时调度
应用实践
昇腾训练示例
# MindSpore在昇腾上训练模型
import mindspore as ms
from mindspore import nn, context
from mindspore.dataset import vision
# 设置昇腾NPU环境
context.set_context(mode=context.GRAPH_MODE, device_target="Ascend")
# 定义模型
class Net(nn.Cell):
def __init__(self):
super(Net, self).__init__()
self.conv1 = nn.Conv2d(3, 64, 3)
self.fc = nn.Dense(64*26*26, 10)
self.relu = nn.ReLU()
def construct(self, x):
x = self.conv1(x)
x = self.relu(x)
x = x.view(-1, 64*26*26)
x = self.fc(x)
return x
# 训练
net = Net()
loss_fn = nn.CrossEntropyLoss()
opt = nn.Adam(net.trainable_params())
model = ms.Model(net, loss_fn, opt)
model.train(epoch=10, train_dataset=dataset)与NVIDIA对比
昇腾 vs NVIDIA 对比
| 维度 | 昇腾 | NVIDIA |
|---|---|---|
| 硬件性能 | 接近A100水平 | H100领先一代 |
| 软件生态 | 快速发展中 | 成熟完善 |
| 框架支持 | MindSpore优先 | 全框架支持 |
| 大模型适配 | 持续优化中 | 广泛验证 |
| 供应链 | 国产可控 | 受出口限制影响 |