产业分析：2022年TeslaAIDay回顾系列（上）——DOJO

在Tesla Robotaxi Day来临之际，我们开设上下两篇产业报告回顾2022 AI Day的内容。本系列报告成文时间为2022年底，上篇主要分享Tesla专用于自动驾驶深度学习的训练硬件—DOJO，下篇主要分享 Tesla自动驾驶深度学习的算法内容，希望能帮助大家更好了解Tesla的Robotaxi。

Tesla的DOJO是一个由Tesla开发的超级计算机系统，专门用于加速人工智能（AI）和深度学习模型的训练，特别是为Tesla的自动驾驶系统（FSD，Full Self-Driving）提供支持。DOJO的设计目标是通过强大的计算能力和优化的架构，来处理海量的数据，从而使Tesla的自动驾驶技术更快地提升和改进。

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为什么要设计专用的训练芯片

现阶段全球主流云计算的硬件为CPU和GPU，用于自动驾驶深度学习训练的硬件一般为Nvidia的A100，包括Tesla和国内新造车势力现阶段均以GPU为主，比如Tesla现阶段使用了4000张GPU用来做数据的自动标注、1万张GPU来做训练，既然Tesla前期已经在GPU上花费了巨资，为什么还需要重头设计一款全新的训练芯片/系统？

大型企业过去收集到的数据更多是一种结构化的数据，常规的数据处理过程是基于人类的逻辑编程（Software1.0），而现阶段企业收集的数据中心80%属于非结构化、离散化的数据（比如外卖订单），对于新的数据，如果采用传统数据处理方式，会效率低、效果差，因此新的数据需要新的训练体系（Software2.0）。Software2.0硬件的最大特点是数据驱动+可学习迭代，目标客户的特征归纳来自数据而不是人类逻辑、通过数据训练来实现更好的边缘侧推理结果。

Google基于云端训练开发的TPU芯片、Amazon基于云计算开发的Graviton芯片、微软聘请苹果公司资深工程师Mike Filippo开发Azure服务器芯片等等（即使考虑到GPU内部的的RT单元同样是一个ASIC），从全球互联网巨头陆续开始自研芯片的产业变化中，我们可以感受到，在摩尔定律减速、超大AI模型算力每个季度翻倍的背景下， 需要全新的芯片和系统来适应AI时代的到来。

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DOJO如何实现更好的性能

在集成电路产业中，从芯片的制造、到封装和最后的训练系统（如A100），整个系统的带宽和延迟比例逐步下降，即芯片的算力优势无法在系统层面得到体现。

出现这一结果的原因在于，算力的扩展随着先进制程工艺的进步和规模化扩展，整体呈现指数级别提升，但导致系统训练效率下降的核心原因在于I/O与内层墙的问题，因此DOJO如果想提升效率，需要解决上述问题。

Tesla在进行DOJO设计之初，已经从硬件、算力利用率、加速核使用率三个角度来优化整个系统的训练效率。

在硬件的工艺制程方面，DOJO采用了TSMC的7nm工艺，同时独家采用了TSMC的InFO_SoW的封装工艺，25片D1芯片集成在了同一块晶圆，从而有效的提升了I/O能力。

在算力利用率方面，Tesla的处理同样是基于自动驾驶场景的定制化需求。Tesla的自动驾驶解决方案基于纯摄像头的视觉解决方面，因此数据是以视频流的方式展现，而所用的深度学习模型是基于3D卷积、RNN、Transformer等，考虑到ML学习大模型化的趋势，未来可能会出现模型过大、单一处理器无法加载情况，DOJO如何解决这个问题？

DOJO采用了分布式训练的思路，如上图（上）显示，DOJO在D1芯片层面对模型进行了分解，这样如果ML模型过大同样可以采取更高效的SRAM处理。上图（下）为Google的TPU芯片计算架构，A和B分别为计算的梯度优化和梯度更新利用，两个计算单元Pod1和Pod2首先通过分布式训练完成梯度更新，然后通过数据总线网络进行交互，可以看到DOJO和TPU在模型优化层面有着相似性。

DOJO为了进一步提升模型处理效率，还采取本地计算+全局广播更新的思路，比如在单一的Train Tile处理ML常用的批量标准化处理时，25块D1首先本地化计算，然后通过从外向内的方式更新均值和标准差，汇总至中心的D1芯片后得到最终参数，然后向外广播至不同的D1进行参数更新。

除了通过编译器进行模型、数据和硬件的灵活训练外，Tesla还通过自定义的TTP协议来加快通信速度。

通过硬件DIP、以太网交换机和定制化通信协议TTP，DOJO成功的将加速核使用率从4%提升至97%。

在内存墙环节，DOJO采用了目前AI加速核通用的做法，即采取大容量SRAM来解决内存读取速度过慢的难题。

DOJO每个训练节点配置1.25M的SRAM，按照每块D1354的节点（SRAM达到440MB）、每个训练Tile25块D1，单个训练Tile的SRAM高达11G。近几年AI训练非常热门的一家公司Cerebras更是把片上存储做到了极致，Cerebras设计的Core上逻辑和存储(SRAM)的面积比例50:50，由于在整块晶圆上设计了加速核和存储单元，因此内存信息的读取速度比片外内存要快的多。

此外，DOJO还在同步机制、虚拟内存、数据格式等环节做了针对深度学习的优化，在硬件、模型和软件（编译器）三个环节做了系统性提升。

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DOJO训练效果和未来对自动驾驶及AI产业的影响

从测试的数据来看，DOJO的数据延迟只有GPU的1/30（ML常用的批量标准化），在两个数据处理量大的任务，包括自动标注和占用空间计算，DOJO的效率可以达到A100（GPU）的3.2和4.4倍，过去GPU需要花费数月才能完成的训练任务，DOJO仅仅只需数周时间。

对于自动驾驶产业而言，驾驶场景数据收集、数据训练优化模型、模型反馈至车端进行测试和错误场景数据收集、再次进行模型训练优化，如此闭环过程是实现自动驾驶目标的唯一路径，因此云端的训练效率只有达到又快又好，才能给消费者更好的辅助乃至自动驾驶体验。

美国政府对Nvidia的芯片进行了禁运，对于中国的自动驾驶产业而言，如果在训练芯片环节无法得到硬件突破，将会影响整个产业在全球的竞争力，这是一个无法回避的问题。

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