ICVIEWS智庫專家：陳巍 博士

D1處理器是特斯拉人形機器人的核心，意義重大。ICVIEWS邀請到千芯科技董事長陳巍博士深入介紹D1架構(gòu)、D1訓(xùn)練模塊、D1訓(xùn)練網(wǎng)格以及訓(xùn)練矩陣整體架構(gòu)。

在Hot Chips 34(2022)大會上，Emil Talpes公開了特斯拉Dojo處理器的關(guān)鍵細節(jié)。

Emil Talpes 本人在 AMD 工作了近 17 年，曾研究各種 Opteron 處理器以及 “K12”Arm服務(wù)器芯片。

D1處理器由臺積電制造，采用7納米制造工藝，擁有500億個晶體管，芯片面積為645mm²，小于英偉達的A100（826 mm²）和AMD Arcturus（750 mm²）。要知道，這個D1處理器可是特斯拉人形機器人的核心，意義重大。

千芯科技陳巍博士就D1架構(gòu)、D1訓(xùn)練模塊、D1訓(xùn)練網(wǎng)格以及訓(xùn)練矩陣整體架構(gòu)做了解析。

D1處理器架構(gòu)

D1處理器結(jié)構(gòu)

每個D1處理器由 18 x 20 的D1核心構(gòu)成。每個D1處理器中有354個D1核心可用。估計是出于良率和處理器核心穩(wěn)定考慮，D1處理器由臺積電制造，采用7nm制造工藝，擁有500億個晶體管，芯片面積為645mm²。

這個尺寸小于英偉達的A100（826 mm²）和AMD Arcturus（750 mm²）。但是每個核心都是一個完整的帶矩陣計算能力的CPU，其計算靈活性是遠超眾核架構(gòu)的GPU的，這也會帶來極高的成本。這個架構(gòu)有點類似于SambaNova。

D1芯片運行在2GHz，擁有巨大的440MB SRAM，是存算一體架構(gòu)（近存計算）。

D1核心的架構(gòu)

D1核心結(jié)構(gòu)

從18x20陣列中每個D1核心的結(jié)構(gòu)上看，每個D1核心是帶有向量計算/矩陣計算能力的處理器，具有完整的取指、譯碼、執(zhí)行部件。處理器運行在2GHz，具有4個8x8x4矩陣乘法計算單元。

D1處理器指令集

據(jù)稱D1以RISC-V架構(gòu)ISA為基礎(chǔ)進行擴展。

D1核心具備FP32和FP16這兩個標準的計算格式，同時還具備更適合Inference的BFP16格式。為了達到混合精度計算提升性能的目的，D1還采用了用于較低精度和更高吞吐量的 8 位 CFP8 格式。Dojo 編譯器可以在尾數(shù)精度附近滑動，以涵蓋更廣泛的范圍和精度。在任何給定時間，最多可以使用 16 種不同的矢量格式，靈活提升算力。

D1處理器的數(shù)據(jù)格式

D1訓(xùn)練塊架構(gòu)

D1訓(xùn)練模塊展開圖

在D1訓(xùn)練模塊方面，每個D1訓(xùn)練模塊由5x5的 D1芯片陣列排布而成，以二維Mesh結(jié)構(gòu)互連。片上跨內(nèi)核SRAM達到驚人的11GB，這也算是一個非常典型的近存計算架構(gòu)了。當(dāng)然耗電量也達到了15kW的驚人指標。能效比為0.6TFLOPS/W@BF16/CFP8。對于CPU架構(gòu)來說，這一能效比非常不錯。顯然存算一體架構(gòu)帶來的優(yōu)勢非常大。外部32GB共享HBM內(nèi)存。（HBM2e或HBM3）

每個訓(xùn)練模塊外部邊緣的 40 個 I/O 芯片達到了 36 TB/s的聚合帶寬，或者10TB/s的橫跨帶寬。

數(shù)據(jù)傳輸方向與芯片平面平行，供電及水冷卻方向與芯片平面垂直。這是一個非常優(yōu)美的結(jié)構(gòu)設(shè)計，不同的訓(xùn)練模塊之間還可以互連。可想而知，這是一個可以橫向擴展的超級計算機架構(gòu)。

當(dāng)然，一開始的那個圖是展開圖。實際的D1訓(xùn)練塊像是個扁扁的披薩餅盒子。

D1訓(xùn)練模塊

D1訓(xùn)練網(wǎng)格與訓(xùn)練矩陣

D1訓(xùn)練網(wǎng)格

D1擴展的方式就好像自家鋪地磚一樣。在 D1 網(wǎng)格的邊緣有Dojo 接口處理器（DIP）。

每個DIP包括了32GB HBM（800GB/s存儲帶寬），以及900GB/s的對外傳輸帶寬（特斯拉自定義的TTP協(xié)議），32GB/s PCIe Gen4接口，以及50GB/s的以太網(wǎng)帶寬（特斯拉自定義的TTPoE協(xié)議）

Dojo V1訓(xùn)練矩陣

Dojo V1 訓(xùn)練矩陣由 6 個訓(xùn)練塊、4 個主機服務(wù)器上（裝有20個 DIP），以及一組連接到以太網(wǎng)交換結(jié)構(gòu)的輔助服務(wù)器構(gòu)成。

這樣算下來，Dojo V1 系統(tǒng)有 53,100 個D1 內(nèi)核，在 BF16 和 CFP8 格式下算力 1 Exaflop，1.3 TB 的SRAM 內(nèi)存，以及 DIP 上的 13 TB 的 HBM內(nèi)存。

與其一同被揭秘的還有特斯拉ExaPod超算。

總的來說，特斯拉D1芯片有以下幾個特點：

1）2D Mesh架構(gòu)；

2）具備向量及矩陣計算加速單元的眾核架構(gòu)；

3）存算一體架構(gòu)（近存計算）。

據(jù)Dojo項目負責(zé)人Ganesh Venkataramanan介紹，特斯拉Dojo是史上最快的AI訓(xùn)練計算機。相比于業(yè)內(nèi)其他芯片，同成本下性能提升4倍，同能耗下性能提高1.3倍，占用空間節(jié)省5倍。而使得Dojo完成訓(xùn)練AI算法的重任，就是特斯拉自研神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練芯片——D1芯片。

馬斯克透露，不久后，特斯拉即將開始Dojo超級計算機的首批組裝，特斯拉Dojo超級計算機將于明年投用。

 ICVIEWS智庫專家   陳巍博士

千芯科技董事長，存算一體/GPU架構(gòu)和AI專家，高級職稱。中關(guān)村云計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、中國光學(xué)工程學(xué)會專家。曾任AI企業(yè)首席科學(xué)家、存儲芯片大廠3D NAND設(shè)計負責(zé)人，領(lǐng)軍大陸首個3D NAND閃存設(shè)計團隊、eFlash IP核編譯器、RISC-V/x86/arm兼容AI加速編譯器，相關(guān)工作對標三星、臺積電、SST。畢業(yè)于清華大學(xué)，中美發(fā)明專利與軟著70+。