人工智能徹底改變了各個行業，實現了突破性的數據處理、決策和自動化進步。然而，人工智能的大量計算需求——尤其是在機器學習 (ML) 和深度學習 (DL) 應用中——引發了人們對能源消耗和環境可持續性的重大擔憂。
例如，人工智能技術目前消耗了全球約 7% 的電力——相當於印度一年的用電量。隨着人工智能的不斷擴展，探索更可持續的人工智能硬件方法勢在必行。模擬芯片的开發和利用代表了一條有希望的途徑。
爲什么要可持續人工智能？
人工智能應用的指數級增長顯著增加了能源消耗，這主要是由所需的大量計算資源推動的。傳統數字計算——當前人工智能系統的支柱——能源消耗量顯著增加，導致碳足跡增加。數據中心是人工智能計算的核心，目前消耗全球約 1% 的電力——如果目前的趨勢持續下去，這一數字在未來幾十年可能會上升到 3% 至 8%。
除了能源使用之外，人工智能對環境的影響還包括電子硬件的生產和處置，這導致了電子垃圾的產生，對環境造成了重大危害。大型數據中心的冷卻要求進一步加劇了用水量和環境惡化。這些考慮凸顯了可持續人工智能技術的需求，這些技術可以減少能源和資源消耗並最大限度地減少電子垃圾。可持續人工智能涉及开發節能硬件和優化算法以降低功耗。模擬芯片以其大幅節省能源的潛力而聞名，是解決這些挑战的可行解決方案。
模擬芯片的行業創新
IBM 一直處於开發用於 AI 應用的模擬芯片的前沿，以其受大腦啓發的設計引領創新。IBM 的模擬芯片採用相變存儲器 (PCM) 技術，其運行能耗遠低於傳統數字芯片。PCM 技術在晶體狀態和非晶體狀態之間改變材料相，實現高密度存儲和快速訪問時間——這些品質對於高效的 AI 數據處理至關重要。在 IBM 的設計中，PCM 用於模擬人工神經網絡中的突觸權重，從而促進節能的學習和推理過程。
除了 IBM，各種初創公司和研究機構也在推進模擬芯片在 AI 中的潛力。總部位於奧斯汀的初創公司 Mythic 設計了融合內存和計算的模擬 AI 處理器。這種集成允許直接在內存中執行 AI 任務，最大限度地減少數據移動並提高能源效率。此外，Rain Neuromorphics 專注於神經形態計算，其模擬芯片旨在模仿生物神經網絡。這些芯片連續處理信號並執行神經元計算，使其成爲創建可實時學習和響應的可擴展、適應性強的人工智能系統的理想選擇。
模擬芯片在人工智能中的應用
模擬芯片有可能通過提供節能且可擴展的硬件解決方案來徹底改變各種人工智能應用。模擬芯片可以產生重大影響的一些關鍵領域包括：
1.邊緣計算：邊緣計算涉及在靠近源頭（例如傳感器或物聯網設備）的地方處理數據，而不是依賴集中式數據中心。這種方法可以減少延遲、改善實時決策並降低與數據傳輸相關的能源成本。模擬芯片具有低功耗和緊湊的設計，是邊緣計算應用的理想選擇。它們可以使人工智能設備在邊緣執行復雜的計算，從而減少數據傳輸需求並最大限度地減少能源使用。
2.神經形態計算：神經形態計算旨在復制人腦的結構和功能，以實現更高效和適應性更強的人工智能系統。模擬芯片特別適合神經形態計算，因爲它們可以處理連續信號並並行執行計算。通過模仿神經過程的模擬性質，模擬芯片可以實現節能且可擴展的人工智能系統，這些系統可以實時學習和適應。
3.人工智能推理和訓練的效率：模擬芯片本身就具有使其特別適合人工智能推理和訓練的功能，這不僅僅是一種應用，而是一種基本的設計特性。這些芯片擅長執行矩陣乘法運算（神經網絡計算的核心組件），其效率遠高於數字芯片。這種內在效率意味着在人工智能訓練和推理階段可以節省大量能源。因此，可以更有效地擴展人工智能模型的部署，避免通常與數字芯片相關的高昂能源成本。這使得模擬芯片成爲增強人工智能技術可持續性和可擴展性的自然選擇。
挑战和未來前景
雖然模擬芯片爲可持續人工智能提供了巨大的機會，但必須克服幾個挑战才能充分利用其潛力。一個主要的挑战是开發能夠達到數字計算精度和准確性的模擬計算架構。鑑於模擬計算本質上容易受到噪聲和變化的影響，這些問題可能會影響人工智能模型的可靠性。
目前的研究致力於开發減輕這些擔憂並增強模擬人工智能系統魯棒性的技術。即使有這些挑战，模擬芯片仍然非常適合傳感器數據處理和實時環境監測等應用，在這些應用中，噪聲帶來的輕微變化並不會抵消降低功耗和更快處理速度的好處。另一個挑战是在當前人工智能系統的主要數字基礎設施中集成模擬芯片。這種轉變將需要對硬件和軟件棧進行大量修改。
創建融合模擬和數字計算優勢的混合架構的努力正在推進，有助於更平穩地過渡到更可持續的人工智能硬件。盡管存在這些障礙，人工智能中模擬芯片的前景仍然樂觀。材料科學、電路設計和人工智能算法的不斷改進推動了更高效、更可擴展的模擬人工智能系統的發展。隨着對環保人工智能解決方案的需求增加，模擬芯片將在爲節能人工智能技術提供動力方面發揮關鍵作用。
--Simran Khokha是英飛凌科技公司的產品經理。
標題：模擬芯片能否爲可持續人工智能鋪平道路？
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