【AI系统的出现】数据_算法与计算力的完美交响

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在数字化时代的洪流中，人工智能（AI）如同破茧的凤凰，展翅高飞。这篇文章深入剖析了AI系统崛起的三大支柱：海量数据的积累、计算能力的飞跃以及机器学习算法的突破性进展。

随着移动互联网的发展，移动应用积累了海量的用户行为数据，这些数据不仅推动了AI算法的进步，也促进了AI系统的发展。

随着数字化的发展，各种信息系统沉淀了大量的数据。AI算法利用数据驱动（D a D ven）的方式 问题，从数据中不断学习和提取规律与模型，以完成分类和回归等任务。

互联网公司拥有大量的用户，规模庞大的数据中心，信息系统不断完善，因此可以较早沉淀出大规模的数据，并应用人工智能技术，投入研发创新人工智能技术。

互联网服务和数据 给深度学习带来了大数据。随着移动互联网的日益普及，移动应用的发展可谓日新月异，应用商店中（谷歌 Play、App Store，还有众多的移动应用分发渠道上），已经积累了海量的用户行为数据。

这些数据随着时间的流逝和新业务功能的推出，数据量越来越大，数据模式越来越丰富。所以互联网公司较早的开发和部署了的大数据管理与处理 。

基于这些海量数据，互联网公司通过数据驱动的方式，训练人工智能模型，进而优化和提升业务用户体验（如点击率预测让用户获取感兴趣的信息），让更多的用户使用服务，进而形成循环。

不同的数据类型和任务，驱动模型结构的复杂性，驱动AI框架和针对AI的编译体系，需要更灵活的表现能力对AI问题进行表达与映射。

例如，以下几种服务中沉淀和形成了相应领域代表性的数据集：

同样是图像分类问题，从最开始数据规模较小的 MNIST 手写数字识别数据集其只有 6 万样本，10 个分类，到更大规模的 ImageNet，其有 1600 万样本，1000 个分类，再到互联网 Web 服务中沉淀了数亿量级的图像数据。

海量的数据让人工智能问题变得愈发挑战的同时，实质性的促进了人工智能模型效果的提升，因为当前以深度学习为核心的代表性 AI 算法，其本身是数据驱动的方式从数据中学习规律与知识，数据的质与量决定了模型本身的天花板。

海量数据集为 AI 系统的发展产生了以下的影响：

综上所述，AI 系统本身的设计相较于传统机器学习系统有更多样的表达需求，更大规模和多样数据集和更广泛的用户基础。

研究人员和工程师不断设计新的AI算法和AI模型，提升预测的准确性，不断取得突破性进展。但是新的算法和模型结构需要AI框架提供便于对AI范式的编程表达和灵活性，对执行性能优化可能会改变原假设，进而产生对AI系统的新需求。AI框架和针对AI的编译对前端、中间表达和系统算法协同设计的演进和发展。

精度超越传统机器学习

以 MNIST 手写数字识别任务为例，其作为一个手写数字图像数据集，在早期通常用于训练和研究图像分类任务，由于其样本与数据规模较小，当前也常常用于教学。从图中可以观察了解到不同的机器学习算法取得的效果以及趋势：1998 年，简单的 CNN 可以接近 SVM 效果。2012 年，CNN 可以将错误率降低到 0.23% (2012)，这样的结果已经可以和人所达到的错误率 0.2% 接近。

神经网络模型在 MNIST 数据集上相比传统机器学习模型的表现，让研究者们看到了神经网络模型提升预测效果的潜力，进而不断尝试新的神经网络模型和在更复杂的数据集上进行验证。神经网络算法在准确度和错误率上的效果提升，让不同应用场景上的问题，取得突破进展或让领域研发人员看到相应潜力，是驱动不同行业不断投入研发 AI 算法的动力。

公开数据集上突破

随着每年 ImageNet 数据集上的新模型取得突破，新的神经网络模型结构和训练方式的潜力。更深、更大的模型结构有潜力提升当前预测的效果。1998 年的 Lenet 到 2012 年的 AlexNet，不仅效果提升，模型变大，同时引入了 GPU 训练，新的计算层（如 ReLU 等）。到 2015 年的 Inception，模型的计算图进一步复杂，且有新的计算层被提出。2015 年 ResNet 模型层数进一步加深，甚至达到上百层。到 2019 年 MobileNet3 的 NAS，模型设计逐渐朝着自动化的方式进行设计，错误率进一步降低到 6.7% 以下。

新的模型不断在以下方面演化进而提升效果：

1）更好的 函数和层，如 ReLU、B ch Norm 等；

2）更深更大的网络结构和更多的模型权重；

3）更好的训练技巧: 正则化（Regula z ion）、初始化（Initializ ion）、学习方法（Learning Methods），自动化机器学习与模型结构搜索等。

上述取得更好效果的技巧和设计，驱动算法工程师与研究员不断投入，同时也要求 AI 系统提供新的算子（Oper or）支持与优化，进而驱动 AI 开发框架和 AI 编译器对前端、中间表达和系统算法协同设计的演进和发展。

计算机性能的增强主要来自于摩尔定律，但到了二十世纪末，由于摩尔定律的停滞，性能的提升逐渐放缓。

于是，人们开始为应用定制专用处理器，通过 处理器中冗余的功能部分来进一步提高对特定应用的计算性能。

例如，图形处理器GPU就对图像类算法进行专用加速。后来出现的GPGPU、TPU等，都是针对特定计算任务进行优化的处理器，它们通过深度学习模型中的算子进行抽象，转换为矩阵乘法或非线性变换，根据专用芯片进一步定制流水线化的脉动阵列，进一步减少访存提升计算密度，提高了AI模型的执行性能。

如图所示后来出现 GPGPU，即通用 GPU，对适合于抽象为单指令流多数据流（SIMD）或者单指令多线程（SIMT）的并行算法与工作应用负载都能起到惊人的加 果。

这些进步不仅推动了AI系统的发展，也为AI技术的广泛应用奠定了坚实的基础。随着技术的不断进步，AI系统将继续演化，以适应更加复杂和多样化的应用场景。

AI芯片近年来因性能提升而备受关注。谷歌的TPU通过将深度学习模型算子转化为矩阵运算和脉动阵列，提高了计算密度和模型执行效率。

华为的昇腾NPU和达芬奇架构针对矩阵运算进行了优化，提供了强大的AI计算能力。

硬件厂商也在将稀疏性和量化等算法加速手段集成到专用加速器中，如英伟达的Tran ormer Engine，进一步提升了专用计算领域的性能。尽管处理器性能大幅提升，但AI芯片执行的代码仍是预设的，智能程度不及生物大脑。

未来，AI系统的性能提升不仅依赖于芯片的迭代和分布式计算的扩展，还需算法和硬件的协同设计，以应对算力瓶颈并提升计算效率。

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