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自动驾驶芯片机能评价指标:DMIPS,TOPS_指令_周期

南宫静远 2024-12-01 17:46:54 0

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TOPS

TOPS是Tera Operation Per Second的缩写,表示每秒钟可以进行的操作数量,用于衡量自动驾驶的算力,有时还会拿TOPS/W来解释功耗,即单位功耗下的运算能力。

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(图片来自网络侵删)

众所周知,CV算法会花费很大一部分自动驾驶芯片的算力,在车上堆摄像头的同时也须要堆TOPS,那么视觉处理能力为什么用TOPS评估呢?常日打算机视觉算法是基于卷积神经网络的,而卷积神经网络的实质是累积累加算法(Multiply Accumulate)。

上图是一个非常生动的卷积过程

MAC

乘积累加运算MAC(Multiply Accumulate)是在数字旗子暗记处理器或一些微处理器中的分外运算。
实现此运算操作的硬件电路单元,被称为“乘数累加器”。
这种运算的操作,是将乘法的乘积结果和累加器 A 的值相加,再存入累加器:

若没有利用 MAC 指令,上述的程序可能须要二个指令,但 MAC 指令可以利用一个指令完成。
而许多运算(例如卷积运算、点积运算、矩阵运算、数字滤波器运算、乃至多项式的求值运算)都可以分解为数个 MAC 指令,因此可以提高上述运算的效率。

MAC矩阵是AI芯片的核心,但这是很成熟的架构,在机器学习大背景下抖擞了新春。

上图为特斯拉自动驾驶芯片架构,占很大一部分面积的是处理神经网络的NPU。

总体设计相对大略。
每个周期,从SRAM读取256byte字节的激活数据和其余128byte的权重数据到MAC阵列中。
每个NPU拥有96x96 MAC,其余在精度方面,乘法为8x8bit,加法为32bit,两种数据类型的选择很大程度上取决于他们降功耗的努力(例如32bitFP加法器的功耗大约是32bit整数加法器的9倍)。
在2GHz的事情频率下,每个NPU的算力为36.86TOPS,FSD芯片峰值算力为73.7TOPS。
在点积运算之后,数据转移到激活硬件,末了写入缓存,以汇总结果。
FSD支持许多激活功能,包括ReLU、SiLU和TanH。
每个周期,将128byte的数据写回SRAM。
所有操作同时且连续地进行,重复直到完玉成部打算。

在每个周期中,将在全体MAC阵列中广播输入数据的底行和权重的最右列。
每个单元独立实行适当的乘法累加运算。
不才一个循环中,将输入数据向下推一行,而将权重网格向右推一行。
在全体数组中广播输入数据的最底行和权重的最右列,重复此过程。
单元连续独立实行其操作。
全点积卷积结束时,MAC阵列一次向下移动一行96个元素,这也是SIMD单元的吞吐量。

TOPS打算

回到正题,TOPS是MAC在1秒内操作的数,打算公式为:

TOPS = MAC矩阵行 MAC矩阵列 2 主频

每个NPU的为96 96 2 2G = 36.864TOPS

DMIPS

DMIPS是Dhrystone Million Instructions Per Second的缩写,每秒处理的百万级的机器措辞指令数。

CPU实行指令

程序编译和运行过程中,代码会经由编译器转化成机器可以理解的指令。
CPU每个指令周期分为取指令、指令译码、指令实行三个过程,只有在指令实行时才真正有效,在取指令和指令译码时,CPU韶光是白白摧残浪费蹂躏的,而同样的运算在不同架构不同指令集须要的指令数也不一样。

除了 Instruction Cycle 这个指令周期,在 CPU 里面我们还会提到其余两个常见的 Cycle。
一个叫 Machine Cycle,机器周期或者 CPU 周期。
CPU 内部的操作速率很快,但是访问内存的速率却要慢很多。
每一条指令都须要从内存里面加载而来,以是我们一样平常把从内存里面读取一条指令的最短韶光,称为 CPU 周期。

还有一个是Clock Cycle,也便是时钟周期以及我们机器的主频。
一个 CPU 周期,常日会由几个时钟周期累积起来。
一个 CPU 周期的韶光,便是这几个 Clock Cycle 的总和。

对付一个指令周期来说,我们取出一条指令,然后实行它,至少须要两个 CPU 周期。
取出指令至少须要一个 CPU 周期,实行至少也须要一个 CPU 周期,繁芜的指令则须要更多的 CPU 周期。

从上图可以看出,时钟周期是固定的,但是每个指令实行用时不同,以是须要提高CPU实行效率。

当前提升CPU性能的方法有:流水线技能、流水线冒险/预测、超标量Superscalar、超长指令字设计VLIW、单指令多数据流SIMD等技能(将来逐步先容)。
尤其是SIMD 技能,是一种“指令级并行”的加速方案,或者说是一种“数据并行”的加速方案。
在处理向量打算的情形下,同一个向量的不同维度之间的打算是相互独立的。
而CPU 里的寄存器,又能放得下多条数据。
于是,我们可以一次性取出多条数据,交给 CPU 并行打算。

DMIPS

如前文所言,不同的CPU指令集不同、硬件加速器不同、CPU架构不同,导致不能大略的用核心数和CPU主频来评估性能,以是出了一个跑分算法叫Dhrystone:程序用来测试CPU整数打算性能,其输出结果为每秒钟运行Dhrystone的次数,即每秒钟迭代主循环的次数。

Dhrystone所代表的处理器分数比MIPS(million instructions per second 每秒钟实行的指令数)更故意义,由于在不同的指令系统中,比如RISC(Reduced Instruction Set Computer精简指令集打算机)系统和CISC(Complex Instruction Set Computer繁芜指令集打算机)系统,Dhrystone的得分更能表现其真正性能。

由于在一个高等任务中,RISC可能须要更多的指令,但是其实行的韶光可能会比在CISC中的一条指令还要快。
由于Dhrystone仅将每秒钟程序实行次数作为指标,以是可以让不同的机器用其自身的办法去完成任务。

另一项基于Dhrystone的分数为DMIPS(DhrystoneMIPS),其含义为每秒钟实行Dhrystone的次数除以1757(这一数值来自于VAX 11/780机器,此机器在名义上为1MIPS机器,它每秒运行Dhrystone次数为1757次)。

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