Зачем нам нужны нейронные процессоры?

Нейросети сейчас называют новым электричеством. Мы их не замечаем, но пользуемся каждый день. Face ID в iPhone, умные ассистенты, сервисы перевода, и даже рекомендации в YouTube — всё это нейросети. Они развиваются настолько стремительно, что даже самые потрясающие открытия выглядят как обыденность.

Например, недавно в одном из самых престижных научных журналов Nature опубликовали исследование группы американских ученых. Они создали нейросеть, которая может считывать активность коры головного мозга и преобразовывать полученные сигналы в речь. С точностью 97 процентов. В будущем, это позволит глухонемым людям «заговорить».

И это только начало. Сейчас мы стоим на пороге новой технической революции сравнимой с открытием электричества. И сегодня мы объясним вам почему.

Как работают нейросети?

Центральный процессор — это очень сложный микрочип. Он умеет выполнять выполнять кучу разных инструкций и поэтому справляется с любыми задачами. Но для работы с нейросетями он не подходит. Почему так?

Сами по себе нейросетевые операции очень простые: они состоят всего из двух арифметических действий: умножения и сложения.

Например, чтобы распознать какое-либо изображение в нейронную сеть нужно загрузить два набора данных: само изображение и некие коэффициенты, которые будут указывать на признаки, которые мы ищем. Эти коэффициенты называются весами.

Вот например так выглядят веса для рукописных цифр. Похоже как будто очень много фоток цифр наложили друг на друга.

А вот так для нейросети выглядит кошка или собака. У искусственного интеллекта явно свои представления о мире.

Но вернёмся к арифметике. Перемножив эти веса на исходное изображение, мы получим какое-то значение. Если значение большое, нейросеть понимает:

— Ага! Совпало. Узнаю, это кошка.

А если цифра получилась маленькой значит в областях с высоким весом не было необходимых данных.

Вот как это работает. Видно как от слоя к слою сокращается количество нейронов. В начале их столько же сколько пикселей в изображении, а в конце всего десять — количество ответов. С каждым слоем изображение упрощается до верного ответа. Кстати, если запустить алгоритм в обратном порядке, можно что-нибудь сгенерировать.

CPU

И вот проблема: классические процессоры не заточены под такие массовые операции. Они просто вечность будут перемножать и складывать и входящие данные с коэффициентами. Всё потому, что процессоры не предназначены для выполнения массовых параллельных операций.

Ну сколько ядер в современных процессорах? Если у вас восьмиядерный процессор дома, считайте вы счастливчик. На мощных серверных камнях бывает по 64 ядра, ну может немного больше. Но это вообще не меняет дела. Нам нужны хотя бы тысячи ядер.

Где же взять такой процессор? В офисе IBM? В секретных лабораториях Пентагона?

GPU

На самом деле такой процессор есть у многих из вас дома. Это ваша видеокарта.

Видеокарты как раз заточены на простые параллельные вычисления — отрисовку пикселей! Чтобы вывести на 4K-монитор изображение, нужно отрисовать 8 294 400 пикселей (3840x2160) и так 60 раз в секунду (или 120/144, в зависимости от возможностей монитора и пожеланий игрока, прим.ред.). Итого почти 500 миллионов пикселей в секунду!

Видеокарты отличаются по своей структуре от CPU. Почти всё место в видеочипе занимают вычислительные блоки, то есть маленькие простенькие ядра. В современных видюхах их тысячи. Например в GeForce RTX2080 Ti, ядер больше пяти тысяч.

Всё это позволяет нейросетям существенно быстрее крутиться GPU.

Производительность RTX2080 Ti где-то 13 TFLOPS (FLOPS — FLoating-point Operations Per Second), что значит 13 триллионов операций с плавающей запятой в секунду. Для сравнения, мощнейший 64-ядерный Ryzen Threadripper 3990X, выдаёт только 3 TFLOPS, а это заточенный под многозадачность процессор.

Триллионы операций в секунду звучит внушительно, но для действительно продвинутых нейронных вычислений — это как запустить FarCry на калькуляторе.

Недавно мы игрались с алгоритмом интерполяции кадров DAIN, основанном на машинном обучении. Алгоритм очень крутой, но с видеокартой Geforce 1080 уходило 2-3 минуты на обработку одного кадра. А нам нужно чтобы подобные алгоритмы работали в риалтайме, да и желательно на телефонах.

TPU

Именно поэтому существуют специализированные нейронные процессоры. Например, тензорный процессор от Google. Первый такой чип в Google сделали еще в 2015 году, а в 2018 вышла уже третья версия.

Каждый такой процессор содержит 10-ки тысяч крохотных вычислительных ядер, заточенных под единственную задачу складывать и перемножать веса. Пока, что он выглядит огромным, но через 15 лет он существенно уменьшится в размерах. Но это еще фигня. Такие процессоры объединяться в кластеры по 1024 штуки, без каких либо просадок в производительности. GPU так не могут.

Такой кластер из тензорных процессоров третьей версии могут выдать 430 PFLOPS (пета флопс) производительности. Если что, это 430 миллионов миллиардов операций в секунду.

Где мы и что нас ждёт?

Но как мы уже говорили, это только начало. Текущие нейронные суперкомпьютеры — это как первые классические мейнфреймы занимавшие, целые этажи в зданиях.

В 2000 году первый суперкомпьютер с производительностью 1 терафлопс занимал 150 квадратных метров и стоил 46 миллионов долларов.

Спустя 15 лет NVIDIA мощностью 2?3 терафлопса, которая помещается в руке стоит 59$.

Так что в следующие 15-20 лет суперкомпьютер Google тоже поместится в руке. Ну или где мы там будем носить процессоры?

А мы пока ждём момента, довольствуемся нейромодулями в наших смартфонах — в тех же Qualcomm Snapdragon’ах, Kirin’ах от Huawei и в Apple Bionic — они уже тихо делают свою работу.

И уже через несколько презентаций они начнут меряться не гигагерцами, ядрами и терафлопсами, а чем-то понятным для всех — например, распознанных котиках в секунду. Всё лучше, чем попугаи!