IBM公開(kāi)神經(jīng)型態(tài)芯片 著(zhù)眼類(lèi)人腦電腦計劃

　　IBM在4月初于美國加州舉行的年度國際物理設計研討會(huì )(International Symposium on Physical Design 2016，ISPD)公布了其根據人腦結構所設計的神經(jīng)型態(tài)混合訊號晶片TrueNorth現況，包括其晶片架構、評估板陣列、參考設計系統以及軟體生態(tài)系統。

　　在ISPD期間，IBM暢談該公司的類(lèi)人腦電腦計劃，期望該公司將成為家喻戶(hù)曉的品牌，支援包括超智慧物聯(lián)網(wǎng)(IoT)到超智慧車(chē)輛、攝影機、無(wú)人機、醫療裝置，以及當然還有超智慧超級電腦等等應用。

　　IBM的低功耗神經(jīng)型態(tài)電路設計師(Low-Power Neuromorphic Circuit Designer) Filipp Akopyan 在一篇題為“IBM TrueNorth 設計與工具流程：一顆內含百萬(wàn)神經(jīng)元的超低功耗可編程神經(jīng)型態(tài)晶片(An Ultra-Low Power Programmable Neurosynaptic Chip with 1-Million Neurons)”中，介紹了該公司的相關(guān)軟硬體與支援生態(tài)系統。

　　IBM的類(lèi)人腦晶片架構，是透過(guò)研究人腦的皮層神經(jīng)元發(fā)展而來(lái)

　　Akopyan表示，IBM的TrueNorth晶片目標是網(wǎng)路邊緣(Edge-of-the-Net)以及巨量資料(Big Data)解決方案，支援以超低功耗元件處理大量即時(shí)資料──該內含54億個(gè)電晶體的神經(jīng)型態(tài)晶片，耗電量?jì)H700毫瓦(milliWatts)。

　　“今日我們正用行動(dòng)裝置制造大量資料，必須由云端電腦來(lái)處理，但TrueNorth 可配置在網(wǎng)路邊緣，讓資料流饋入并進(jìn)行處理，被傳送到云端的只有重要項目以及摘要;”Akopyan 指出：“但運算資源卻正往錯誤的高功率方向發(fā)展，它們最好要被降低到生物性水準。”

　　IBM以神經(jīng)型態(tài)核心(neuromorphic core)──也就是一批與樹(shù)突(dendrites，輸入端)與軸突(axons，輸出端)連結的神經(jīng)元──為起點(diǎn)，任何一個(gè)神經(jīng)元都能傳送訊息──稱(chēng)為棘波(spike)──到其他任何一個(gè)神經(jīng)元做為1或是0 (電壓脈沖或棘波)。

　　晶片上的神經(jīng)元能傳送/接受來(lái)自任何其他晶片神經(jīng)元的訊息──這是更佳的通訊方法，因為稀疏的本地通訊不只像是大腦里所進(jìn)行的那樣，而且可達到最低的訊號延遲。任何神經(jīng)元也能傳送訊息到晶片外，甚至電路板外的神經(jīng)元，但延遲會(huì )較高。

　　TrueNorth 晶片規格

　　TrueNorth能實(shí)現70毫瓦功耗的關(guān)鍵是采用異步邏輯(asynchronous logic)，整個(gè)晶片除非是某特定神經(jīng)元正被開(kāi)啟應用于與其他神經(jīng)元通訊期間，其功率消耗為零。在結構上，其內含的54億電晶體如果采用同步架構，可能會(huì )消耗50~100瓦，但異步架構使其功耗降到最低。為了實(shí)現在結構上的任何神經(jīng)元相互連結，晶片上有一個(gè)巨大的縱橫栓開(kāi)關(guān)(crossbar switch)。

　　獨特的晶片設計工具

　　IBM采用來(lái)自眾多EDA供應商的工具來(lái)設計TrueNorth晶片，包括Cadence、Synopsys以及Spice，但也不得不自己開(kāi)發(fā)EDA工具來(lái)支援部分同步、部分異步架構的共同設計。由IBM自行開(kāi)發(fā)的工具命名為CoSim，顧名思義，該工具能讓晶片的不同部分，在不同工具上同步進(jìn)行共同模擬。

　　“我們使用不同的模擬器來(lái)設計TrueNorth晶片的不同部分，”Akopyan表示：“我們的CoSim工具能提供混合式的工具流程，以支援TrueNorth的客制化共同模擬。”而IBM的開(kāi)發(fā)成果，是一個(gè)由64×64、共4，096個(gè)神經(jīng)型態(tài)核心組成的中央陣列，每個(gè)核心有256個(gè)神經(jīng)元以及64k記憶體突觸;整個(gè)晶片有2.56億突觸、54億個(gè)電晶體、功耗僅70毫瓦。

　　此外那些神經(jīng)型態(tài)核心能無(wú)限制組合，讓未來(lái)的神經(jīng)型態(tài)記憶體能擴展成更大的晶片;目前IBM的TrueNorth晶片采用Samsung的28奈米低功耗制程。為向潛在客戶(hù)(從物聯(lián)網(wǎng)設備制造商到軍用無(wú)人機、超級電腦制造商)展示TrueNorth晶片的功能，IBM打造了單晶片單電路板，也有內含16片、48片電路板的機箱，以及內含16顆TrueNorth的單片電路板。

　　未來(lái)IBM還計畫(huà)打造配備64、256、1，024、4，096顆TrueNorth晶片的電路板，最后一種的功能可達到人腦能力的1%。IBM并有一個(gè)針對TrueNorth的軟體開(kāi)發(fā)與應用城市開(kāi)發(fā)生態(tài)系統，更多資訊可連結TrueNorth的官方網(wǎng)站;點(diǎn)擊以下原文連結也可看到更多IBM在ISPD的簡(jiǎn)報圖片。