科学计算需要专门数字格式：AI数学技巧不适用

人工智能推动了新数字格式的爆炸式增长，这些格式决定了数字在计算机中的表示方式。工程师们正在寻找各种可能的方法来节省计算时间和能源，包括缩短用于表示数据的位数。但适用于人工智能的方法并不一定适用于科学计算，无论是计算物理学、生物学、流体力学还是工程仿真。IEEE Spectrum采访了最近加入巴塞罗那Openchip公司担任AI工程师的Laslo Hunhold，了解他开发专门用于科学计算的定制数字格式的努力。

Laslo Hunhold是巴塞罗那初创公司Openchip的高级AI加速器工程师。他最近在德国科隆大学完成了计算机科学博士学位。

数字格式为什么让你感兴趣

Hunhold：我不知道还有哪个领域像这样，很少有人关注但影响如此巨大。如果你制作的数字格式能效提高10%，这可以转化为所有应用程序效率提高10%，能够节省大量能源。

为什么会出现这么多新的数字格式

Hunhold：几十年来，计算机用户的日子很轻松。他们只需要每隔几年购买新系统，就能免费获得性能提升。但在过去10年里情况并非如此。在计算机中，你用特定的位数来表示单个数字，多年来默认是64位。对于人工智能，公司注意到他们每个数字不需要64位。所以他们有强烈的动机降低到16位、8位甚至2位来节省能源。问题是，用64位表示数字的主导标准并不适合较低的位数。所以在人工智能领域，他们提出了更适合AI的新格式。

为什么人工智能需要与科学计算不同的数字格式

Hunhold：科学计算需要高动态范围：你需要非常大的数字，或者非常小的数字，在这两种情况下都需要很高的精度。64位标准具有过度的动态范围，在大多数情况下需要的位数远超必需。人工智能则不同。数字通常遵循特定分布，不需要那么高的精度。

什么让数字格式"优秀"

Hunhold：你有无限的数字但只有有限的位表示。所以你需要决定如何分配数字。最重要的部分是表示你实际将要使用的数字。因为如果你表示一个不使用的数字，你就浪费了一个表示。最简单的考虑是动态范围。其次是分布：如何将位分配给特定值？你有均匀分布还是其他分布？有无限种可能性。

什么促使你引入takum数字格式

Hunhold：Takums基于posits。在posits中，使用频率更高的数字可以用更高密度表示。但posits不适用于科学计算，这是一个巨大问题。它们对接近1的数字有高密度，这对人工智能很好，但一旦你看更大或更小的值，密度就急剧下降。在过去几年里，人们提出了几十种数字格式，但takums是唯一真正为科学计算量身定制的数字格式。我发现了科学计算中使用的动态范围值，如果你看所有领域，并设计了takums，这样当你减少位数时，不会降低动态范围。

Q&A

Q1：为什么人工智能的数字格式不适合科学计算？

A：科学计算需要高动态范围，既要处理非常大的数字，也要处理非常小的数字，在两种情况下都需要很高的精度。而人工智能的数字格式通常针对特定分布优化，不需要那么高的精度，因此不能满足科学计算的严格要求。

Q2：takum数字格式有什么特殊优势？

A：Takums是唯一真正为科学计算量身定制的数字格式。它基于posits但解决了posits的问题，确保在减少位数时不会降低科学计算所需的动态范围，能够更好地适应科学计算中各个领域的数值范围需求。

Q3：开发新数字格式能带来多大的效益？

A：如果开发出能效提高10%的数字格式，这可以转化为所有应用程序效率提高10%，从而节省大量能源。虽然很少有人关注这个领域，但它对整体计算性能的影响非常巨大。