美國(guó)類(lèi)腦芯片發(fā)展歷程

　　摘要：美國(guó)為保持技術(shù)優(yōu)勢(shì)，率先發(fā)起類(lèi)腦計(jì)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(tǒng)馮諾依曼架構(gòu)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(shù)據(jù)，并具備自主感知、識(shí)別和學(xué)習(xí)的能力。

　　在當(dāng)今大數(shù)據(jù)時(shí)代，由于現(xiàn)有計(jì)算機(jī)硬件和架構(gòu)限制，已無(wú)法滿足更大規(guī)模數(shù)據(jù)的處理需求，世界各國(guó)開(kāi)始著手尋找解決方案，并把目光轉(zhuǎn)向能夠以復(fù)雜方式處理大量信息的人腦神經(jīng)系統(tǒng)，而且因?yàn)樯窠?jīng)系統(tǒng)在時(shí)間和空間上實(shí)現(xiàn)了硬件資源的稀疏利用功耗極低，其能量效率是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的100萬(wàn)倍到10億倍。為此，近年來(lái)，美國(guó)將開(kāi)發(fā)類(lèi)腦計(jì)算芯片列入發(fā)展計(jì)劃。

　　1 內(nèi)涵及特點(diǎn)

　　目前，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)芯片主要基于馮諾依曼架構(gòu)，處理單元和存儲(chǔ)單元分開(kāi)，通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸總線相連。芯片總信息處理能力受總線容量的限制，構(gòu)成所謂“馮諾依曼瓶頸”。而且傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的處理單元一直處于工作狀態(tài)，導(dǎo)致能耗巨大。同時(shí)，由于需要精確的預(yù)編程，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無(wú)法應(yīng)對(duì)編程以外的情況和數(shù)據(jù)。而大腦結(jié)構(gòu)則完全不同：神經(jīng)元(處理單元)和突觸(存儲(chǔ)單元)位于一體，不需要高能耗的總線連接，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(hào)強(qiáng)弱和極性調(diào)整傳遞效率，并在信號(hào)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(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)可塑，能夠隨外部數(shù)據(jù)的變化而自適應(yīng)調(diào)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(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，使人腦信息處理能力超強(qiáng)，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(guī)模并行處理多個(gè)信號(hào);具備學(xué)習(xí)能力，在海量數(shù)據(jù)處理方面具有巨大優(yōu)勢(shì)。

　　類(lèi)腦計(jì)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(duì)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(shí)別和學(xué)習(xí)等多種能力。同傳統(tǒng)計(jì)算芯片相比，類(lèi)腦計(jì)算芯片將實(shí)現(xiàn)兩個(gè)突破：一是突破傳統(tǒng)“執(zhí)行程序”計(jì)算范式的局限，有望形成“自主認(rèn)知”的新范式;二是突破傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的局限，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。

　　2 發(fā)展現(xiàn)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(guó)DARPA啟動(dòng)了總投資1.01億美元的“神經(jīng)形態(tài)自適應(yīng)可塑可擴(kuò)展電子系統(tǒng)”(SyNAPSE)項(xiàng)目，旨在研制出具有百萬(wàn)神經(jīng)元級(jí)別的類(lèi)腦計(jì)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(jié)構(gòu)，首次研制出兩個(gè)具有感知認(rèn)知能力的硅芯片原型，可以像大腦一樣具有學(xué)習(xí)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(shù)據(jù)傳輸通道)。其中一個(gè)芯片包含65356個(gè)學(xué)習(xí)突觸，它能夠發(fā)現(xiàn)新的神經(jīng)元連接路徑，可通過(guò)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行學(xué)習(xí)，并根據(jù)響應(yīng)對(duì)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(jù)預(yù)先設(shè)定，通過(guò)強(qiáng)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(guī)模并行能力。IBM公司還成功演示了類(lèi)腦芯片在導(dǎo)航、圖案辨認(rèn)、關(guān)聯(lián)記憶和分類(lèi)等領(lǐng)域的簡(jiǎn)單應(yīng)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(dāng)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(dāng)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(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理和調(diào)度，而大多數(shù)晶體管都用作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、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(nèi)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(hào)在這里變成了電流脈沖。IBM把這種結(jié)構(gòu)稱為“神經(jīng)突觸內(nèi)核架構(gòu)”。

　　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(shù)量由256個(gè)增加到100萬(wàn)個(gè)，提高3906倍;可編程突觸數(shù)量由262144個(gè)增加到2.56億個(gè)，提高976倍;每秒可執(zhí)行460億次突觸運(yùn)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(yīng)用前景

　　目前，IBM公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一臺(tái)神經(jīng)元計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)行業(yè)最大的一次變革。也許，未來(lái)計(jì)算機(jī)不僅只依靠計(jì)算速度和海量數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行工作，它們還能真正進(jìn)行“認(rèn)知”與“思考”，這將改變計(jì)算機(jī)常規(guī)工作模式，探索更多領(lǐng)域。類(lèi)腦計(jì)算芯片在國(guó)防領(lǐng)域應(yīng)用中將發(fā)揮重要作用，并有望最先用于武器裝備。如滿足移動(dòng)機(jī)器人、遠(yuǎn)程傳感器、無(wú)人機(jī)、單兵裝備等的低能耗需求;通過(guò)不斷學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境中自動(dòng)信息處理，推動(dòng)高度自主性智能機(jī)器人發(fā)展。