美國類(lèi)腦芯片發(fā)展歷程

　　摘要：美國為保持技術(shù)優(yōu)勢，率先發(fā)起類(lèi)腦計算芯片的相關(guān)研究工作，通過(guò)模仿人腦工作原理，使用神經(jīng)元和突觸的方式替代傳統馮諾依曼架構體系，使芯片能夠進(jìn)行異步、并行、低速和分布式處理信息數據，并具備自主感知、識別和學(xué)習的能力。

　　在當今大數據時(shí)代，由于現有計算機硬件和架構限制，已無(wú)法滿(mǎn)足更大規模數據的處理需求，世界各國開(kāi)始著(zhù)手尋找解決方案，并把目光轉向能夠以復雜方式處理大量信息的人腦神經(jīng)系統，而且因為神經(jīng)系統在時(shí)間和空間上實(shí)現了硬件資源的稀疏利用功耗極低，其能量效率是傳統計算機的100萬(wàn)倍到10億倍。為此，近年來(lái)，美國將開(kāi)發(fā)類(lèi)腦計算芯片列入發(fā)展計劃。

　　1 內涵及特點(diǎn)

　　目前，傳統計算機芯片主要基于馮諾依曼架構，處理單元和存儲單元分開(kāi)，通過(guò)數據傳輸總線(xiàn)相連。芯片總信息處理能力受總線(xiàn)容量的限制，構成所謂“馮諾依曼瓶頸”。而且傳統計算機的處理單元一直處于工作狀態(tài)，導致能耗巨大。同時(shí)，由于需要精確的預編程，傳統計算機無(wú)法應對編程以外的情況和數據。而大腦結構則完全不同：神經(jīng)元(處理單元)和突觸(存儲單元)位于一體，不需要高能耗的總線(xiàn)連接，突觸是神經(jīng)元之間的連接，具有可塑性，能夠隨所傳遞的神經(jīng)元信號強弱和極性調整傳遞效率，并在信號消失后保持傳遞效率。突觸的這種性質(zhì)，使大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )結構動(dòng)態(tài)可塑，能夠隨外部數據的變化而自適應調整;腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )包含1000億神經(jīng)元和100萬(wàn)億個(gè)神經(jīng)突觸，它們相互連接組成一個(gè)龐大而復雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，使人腦信息處理能力超強，而神經(jīng)元只在工作時(shí)消耗能量，大腦的功耗極低;可大規模并行處理多個(gè)信號;具備學(xué)習能力，在海量數據處理方面具有巨大優(yōu)勢。

　　類(lèi)腦計算芯片可模擬人類(lèi)大腦信息處理方式，能以極低的功耗對信息進(jìn)行異步、并行、低速和分布式處理，并具備自主感知、識別和學(xué)習等多種能力。同傳統計算芯片相比，類(lèi)腦計算芯片將實(shí)現兩個(gè)突破：一是突破傳統“執行程序”計算范式的局限，有望形成“自主認知”的新范式;二是突破傳統計算機體系結構的局限，實(shí)現數據并行傳送、分布式處理，能夠以極低功耗實(shí)時(shí)處理海量數據。

　　2 發(fā)展現狀

　　2008年，在模仿大腦功能的關(guān)鍵器件——憶阻器研制成功后，美國DARPA啟動(dòng)了總投資1.01億美元的“神經(jīng)形態(tài)自適應可塑可擴展電子系統”(SyNAPSE)項目，旨在研制出具有百萬(wàn)神經(jīng)元級別的類(lèi)腦計算芯片。

　　(1)第一代類(lèi)腦芯片

　　2011年8月，IBM公司通過(guò)模擬大腦結構，首次研制出兩個(gè)具有感知認知能力的硅芯片原型，可以像大腦一樣具有學(xué)習和處理信息的能力。這兩顆類(lèi)腦芯片原型均采用45納米絕緣體上硅CMOS工藝制作，包含256個(gè)神經(jīng)元和256個(gè)軸突(數據傳輸通道)。其中一個(gè)芯片包含65356個(gè)學(xué)習突觸，它能夠發(fā)現新的神經(jīng)元連接路徑，可通過(guò)經(jīng)驗進(jìn)行學(xué)習，并根據響應對神經(jīng)元連接路徑進(jìn)行重組;而另一個(gè)芯片包含262144個(gè)可編程突觸，可以根據預先設定，通過(guò)強化或弱化神經(jīng)元之間的連接，更迅速、更高效地處理信息。類(lèi)腦芯片的每個(gè)神經(jīng)元都是交叉連接，具有大規模并行能力。IBM公司還成功演示了類(lèi)腦芯片在導航、圖案辨認、關(guān)聯(lián)記憶和分類(lèi)等領(lǐng)域的簡(jiǎn)單應用，包括完成迷宮游戲和擋板游戲，并指出：該類(lèi)芯片“腦容量”僅相當于蟲(chóng)腦水平。

　　(2)第二代類(lèi)腦芯片

　　2014年8月，IBM公司推出名為“真北”的第二代類(lèi)腦芯片。它采用28納米硅工藝制作，包括54億個(gè)晶體管和4096個(gè)處理核，相當于100萬(wàn)個(gè)可編程神經(jīng)元，以及2.56億個(gè)可編程突觸。

　　“真北”的每個(gè)處理核包含了約120萬(wàn)個(gè)晶體管，其中少量晶體管負責數據處理和調度，而大多數晶體管都用作數據存儲、以及與其它核心的通信方面。此外，每個(gè)核心都有自己的本地內存，它們還能通過(guò)一種特殊的通信模式與其它核心快速溝通，其工作方式非常類(lèi)似于人腦神經(jīng)元與突觸之間的協(xié)同，只不過(guò)，化學(xué)信號在這里變成了電流脈沖。IBM把這種結構稱(chēng)為“神經(jīng)突觸內核架構”。

　　與第一代類(lèi)腦芯片相比，“真北”芯片性能大幅提升。其神經(jīng)元數量由256個(gè)增加到100萬(wàn)個(gè)，提高3906倍;可編程突觸數量由262144個(gè)增加到2.56億個(gè)，提高976倍;每秒可執行460億次突觸運算，總功耗僅為70毫瓦，每平方厘米功耗20毫瓦，是第一代類(lèi)腦芯片的1/100;“真北”處理核體積僅為第一代類(lèi)腦芯片的1/15。

　　3 應用前景

　　目前，IBM公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一臺神經(jīng)元計算機原型，它采用16顆“真北”芯片，具有實(shí)時(shí)視頻處理能力。

　　未來(lái)，如果研究進(jìn)展順利，類(lèi)腦芯片將成為自個(gè)人電腦誕生以來(lái)，整個(gè)計算機行業(yè)最大的一次變革。也許，未來(lái)計算機不僅只依靠計算速度和海量數據庫進(jìn)行工作，它們還能真正進(jìn)行“認知”與“思考”，這將改變計算機常規工作模式，探索更多領(lǐng)域。類(lèi)腦計算芯片在國防領(lǐng)域應用中將發(fā)揮重要作用，并有望最先用于武器裝備。如滿(mǎn)足移動(dòng)機器人、遠程傳感器、無(wú)人機、單兵裝備等的低能耗需求;通過(guò)不斷學(xué)習實(shí)現復雜環(huán)境中自動(dòng)信息處理，推動(dòng)高度自主性智能機器人發(fā)展。