IBM公開神經(jīng)型態(tài)芯片:類人腦電腦計劃開始著眼

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

在ISPD期間，IBM暢談該公司的類人腦電腦計劃，期望該公司將成為家喻戶曉的品牌，支援包括超智慧物聯(lián)網(wǎng)(IoT)到超智慧車輛、攝影機、無人機、醫(yī)療裝置，以及當然還有超智慧超級電腦等等應(yīng)用。

IBM的低功耗神經(jīng)型態(tài)電路設(shè)計師(Low-Power Neuromorphic Circuit Designer) Filipp Akopyan 在一篇題為“IBM TrueNorth 設(shè)計與工具流程：一顆內(nèi)含百萬神經(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(tǒng)。

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

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資料──該內(nèi)含54億個電晶體的神經(jīng)型態(tài)晶片，耗電量僅700毫瓦(milliWatts)。

“今日我們正用行動裝置制造大量資料，必須由云端電腦來處理，但TrueNorth 可配置在網(wǎng)路邊緣，讓資料流饋入并進行處理，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)──也就是一批與樹突(dendrites，輸入端)與軸突(axons，輸出端)連結(jié)的神經(jīng)元──為起點，任何一個神經(jīng)元都能傳送訊息──稱為棘波(spike)──到其他任何一個神經(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，但延遲會較高。

TrueNorth 晶片規(guī)格

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

獨特的晶片設(shè)計工具

IBM采用來自眾多EDA供應(yīng)商的工具來設(shè)計TrueNorth晶片，包括Cadence、Synopsys以及Spice，但也不得不自己開發(fā)EDA工具來支援部分同步、部分異步架構(gòu)的共同設(shè)計。由IBM自行開發(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行共同模擬。

“我們使用不同的模擬器來設(shè)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的開發(fā)成果，是一個由64×64、共4，096個神經(jīng)型態(tài)核心組成的中央陣列，每個核心有256個神經(jīng)元以及64k記憶體突觸;整個晶片有2.56億突觸、54億個電晶體、功耗僅70毫瓦。

此外那些神經(jīng)型態(tài)核心能無限制組合，讓未來的神經(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(從物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備制造商到軍用無人機、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(nèi)含16片、48片電路板的機箱，以及內(nèi)含16顆TrueNorth的單片電路板。

未來IBM還計畫打造配備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并有一個針對TrueNorth的軟體開發(fā)與應(yīng)用城市開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)，更多資訊可連結(jié)TrueNorth的官方網(wǎng)站;點擊以下原文連結(jié)也可看到更多 IBM在ISPD的簡報圖片。