從IBM研究到百度投資，探尋類(lèi)腦芯片產(chǎn)業(yè)路上的豐收與荊棘

　　這款名為“達爾文”的芯片面積比硬幣還小，它就像一個(gè)簡(jiǎn)化的大腦，上面集成了2048個(gè)用硅材料制成的仿生神經(jīng)元，可支持超過(guò)400萬(wàn)個(gè)神經(jīng)突觸和15個(gè)不同的突觸延遲?！斑_爾文”芯片的工作方式非常接近人腦，它通過(guò)外界接收并積累刺激，產(chǎn)生脈沖信號來(lái)傳遞和處理信息。芯片最多可支持2048個(gè)神經(jīng)元、400多萬(wàn)個(gè)神經(jīng)突觸及15個(gè)不同的突觸延遲。

　　據了解，這款芯片即將應用于智能硬件、機器人、神經(jīng)信號處理、腦機融合系統等領(lǐng)域，它可作為脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )模型與算法高效的硬件運行載體，建立類(lèi)腦智能系統。

　　2017年5月，清華大學(xué)微電子所錢(qián)鶴、吳華強課題組發(fā)表了題為《使用電子突觸陣列實(shí)現人臉識別》的研究成果，里面提到將氧化物憶阻器的集成規模提高了一個(gè)數量級，首次實(shí)現了基于1024個(gè)氧化物憶阻器陣列的類(lèi)腦計算。

　　這項成果的一大突破是在最基本的單個(gè)憶阻器上實(shí)現了存儲和計算的融合，采用完全不同于傳統“馮·諾依曼架構”的體系，可以使芯片更加高效地完成計算任務(wù)，使能耗降低到原千分之一以下。

　　如今，國內的寒武紀神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )芯片、深鑒科技的DPU等產(chǎn)品都是類(lèi)腦科技在芯片上的應用?？梢院敛豢鋸埖恼f(shuō)，未來(lái)企業(yè)想成為AI領(lǐng)域的領(lǐng)導者，沒(méi)有類(lèi)腦芯片技術(shù)的加持，將舉步維艱。

　　雖然類(lèi)腦科技有著(zhù)很好的應用前景，目前也取得了很多成就，但是它離真正的產(chǎn)業(yè)化仍有很大的距離。

     當前類(lèi)腦芯片產(chǎn)業(yè)化面臨的痛點(diǎn)

　　對于類(lèi)腦芯片產(chǎn)業(yè)而言，目前主要面臨的難題來(lái)自于四個(gè)方面，一是類(lèi)腦芯片的單晶硅材料和憶阻器等技術(shù)有待突破;二是對腦的觀(guān)測和工作機制了解不夠;三是類(lèi)腦芯片的研究門(mén)檻高，人才和企業(yè)隊伍缺失;四是類(lèi)腦芯片的工程化難題。

　一、類(lèi)腦芯片材料的缺失

　　目前類(lèi)腦芯片研制的挑戰之一是在硬件層面上模仿人腦中的神經(jīng)突觸，在設計人造突觸時(shí)通常用施加電壓的方式來(lái)模擬神經(jīng)元中的信息傳輸。但這種技術(shù)存在一個(gè)難題，由于大多數由非晶材料制成的人造突觸中，離子通過(guò)的路徑有無(wú)限種可能，難以預測離子究竟走哪一條路，造成不同神經(jīng)元電流輸出的差異。

　　科學(xué)家們研究了基于CMOS和憶阻器實(shí)現人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，但對憶阻器的邏輯完備性、計算復雜度、級聯(lián)、可重構等性能要求很高，從憶阻器理論出發(fā)，神經(jīng)元模型中的鈣離子和鉀離子通道由易失性憶阻器構成，對憶阻器的頻率依賴(lài)嚴重，滿(mǎn)足類(lèi)腦芯片的單晶硅和憶阻器等材料技術(shù)仍有待突破。

　　二、對腦的觀(guān)測和認識不夠

　　類(lèi)腦芯片的研究在于直接在微芯片上模擬生物神經(jīng)元和突觸的屬性，做到這一點(diǎn)面臨的主要挑戰，是配置由人造神經(jīng)元組成的網(wǎng)絡(luò )，讓其能執行特定的任務(wù)。類(lèi)腦芯片的架構是模擬人腦的新型芯片編程架構，這種芯片的功能類(lèi)似于大腦的神經(jīng)突觸，處理器類(lèi)似于神經(jīng)元，而其通訊系統類(lèi)似于神經(jīng)纖維，通過(guò)這種神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò )系統，計算機可以感知、記憶和處理大量不同的情況。

　　因為人腦是由140億個(gè)腦細胞組成，每個(gè)腦細胞可生長(cháng)出2萬(wàn)個(gè)樹(shù)枝狀的樹(shù)突用來(lái)計算信息，人腦神經(jīng)細胞功能間每秒可完成信息傳遞和交換次數達1000億次。用半導體材料模擬腦細胞和突觸的功能來(lái)設計芯片，由于人類(lèi)對于腦的研究遠遠不夠，這樣的芯片在性能上遠遠達不到“人腦”的要求。

　　三、類(lèi)腦芯片的研究門(mén)檻高，人才和企業(yè)隊伍缺失

　　類(lèi)腦芯片技術(shù)有很多難點(diǎn)，它本身有著(zhù)很強的技術(shù)門(mén)檻，據不完全統計，目前從事類(lèi)腦芯片研究隊伍(包括企業(yè)和研究機構)不到一百家，整個(gè)團隊仍不強大，全球研究這門(mén)技術(shù)人才遠遠不夠撐起整個(gè)產(chǎn)業(yè)。

　　必須承認的是，類(lèi)腦芯片是一門(mén)涉及電子、人工智能、材料、神經(jīng)學(xué)等多學(xué)科的綜合技術(shù)，對頂層設計人才的全面要求很高，目前行業(yè)很缺這樣的人才。

　　四、類(lèi)腦芯片的工程化難題

　　因為類(lèi)腦芯片的脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )特性決定了異步電路是脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )神經(jīng)元間大量互聯(lián)以及通訊的最有效形式，對于某些需要復雜模型的SNN網(wǎng)絡(luò )，模擬運算以及數?；旌想娐窌?huì )是最優(yōu)的解決方案。

　　aiCTX公司CEO喬寧博士認為，當前類(lèi)腦芯片在走向應用的過(guò)程中面臨著(zhù)工程化的難題。對于不同的應用，類(lèi)腦芯片處理器的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程會(huì )有所不同，這對于中下游企業(yè)而言，芯片在不同場(chǎng)景下的兼容性和性能也會(huì )有所不同，目前尚未出現真正產(chǎn)業(yè)化的通用類(lèi)腦芯片。  

     aiCTX公司對國內廠(chǎng)商的啟示

　　類(lèi)腦芯片產(chǎn)業(yè)的前景不可估量，但同時(shí)也給企業(yè)帶來(lái)很大的挑戰，畢竟有很多現實(shí)的難題需要去解決。對于國內廠(chǎng)商而言，挑戰和機遇并存，國內對類(lèi)腦芯片的研究仍處在起步階段，還需要很長(cháng)時(shí)間的技術(shù)積累，但aiCTX公司的發(fā)展給行業(yè)帶來(lái)了很好的啟示。創(chuàng )業(yè)型企業(yè)亦可成為推動(dòng)類(lèi)腦芯片產(chǎn)業(yè)化的中堅力量，這從aiCTX公司的發(fā)展就可以看出來(lái)。

　　喬寧博士表示，作為一家初創(chuàng )企業(yè)，aiCTX公司沒(méi)有理由碾壓IBM，這并不現實(shí)，IBM和英特爾的芯片是做基礎研究和通用架構。aiCTX公司的優(yōu)勢是針對具體應用的專(zhuān)用芯片，因而在應用場(chǎng)景上，功耗，性能以及集成度方面會(huì )有很大提升。

　　類(lèi)腦芯片的出現是為了幫助我們解決生活中遇到的難題，其最終的理想狀態(tài)是應用到生活中各個(gè)領(lǐng)域，如手勢或語(yǔ)音控制的智能家居、面部識別的移動(dòng)設備、實(shí)時(shí)的ECG健康檢測、無(wú)人車(chē)的目標識別等，這些場(chǎng)景都需要類(lèi)腦芯片的支持。

　　要實(shí)現類(lèi)腦芯片的產(chǎn)業(yè)化，除了需要上面提到的行業(yè)巨頭和科研機構，也需要更多國內企業(yè)的加入，讓類(lèi)腦芯片技術(shù)早日改變我們的生活。

　　總結：

　　自從人工智能的概念被提出，人們對芯片算力和智能的要求更高，類(lèi)腦芯片的橫空出世讓研究人員眼前一亮，很多企業(yè)和研究機構積極推動(dòng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，甚至有人認為它是人工智能的終極目標。一直以來(lái)，神經(jīng)形態(tài)計算領(lǐng)域的研究人員都希望能將人腦的能力“復制”到計算機芯片。這樣的于人腦芯片與現在基于二進(jìn)制進(jìn)行計算的數字芯片不同，其元件將以模擬的方式進(jìn)行工作，通過(guò)交換梯度信號或權重信號來(lái)激活，非常類(lèi)似神經(jīng)元依靠流過(guò)突觸的離子種類(lèi)和數量來(lái)激活。

　　類(lèi)腦芯片的本質(zhì)是模擬人腦工作原理實(shí)現深度學(xué)習，進(jìn)而解決極其復雜的計算問(wèn)題。目前類(lèi)腦芯片離真正成熟的商用還有一段距離，甚至在產(chǎn)業(yè)化中面臨很大的風(fēng)險系數，但從長(cháng)期來(lái)看，它可能帶來(lái)計算機體系的革命和架構的變革。正是上面這些科研機構和企業(yè)的推動(dòng)，它們的成果讓這個(gè)想法變成了現實(shí)。類(lèi)腦芯片非常具有想象空間，就像專(zhuān)家說(shuō)的那樣，成熟的類(lèi)腦芯片有可能長(cháng)出眼睛，像人一樣辨別圖像，這真是太神奇了。未來(lái)，筆者相信會(huì )有更多的企業(yè)和人才加入到這個(gè)產(chǎn)業(yè)之中，一起推動(dòng)類(lèi)腦芯片的產(chǎn)業(yè)化，讓這門(mén)技術(shù)早日改變我們的生活。