看點：模仿低功耗、高運算力人腦的類腦芯片，能給機器帶來人類智能嗎？

導(dǎo)語：最近半年以來，人工智能的發(fā)展重心逐漸從云端向終端轉(zhuǎn)移，相伴而生的是全新一代的計算芯片產(chǎn)業(yè)全面崛起。智東西歷經(jīng)數(shù)月，首次對包括AI芯片在內(nèi)的新一代計算芯片全產(chǎn)業(yè)鏈上下近百間核心企業(yè)進(jìn)行報道，覆蓋國內(nèi)外各大巨頭玩家、新興創(chuàng)企、場景應(yīng)用、代工生產(chǎn)等，全面深入地對芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)進(jìn)行了追蹤報道。此為智東西新一代計算芯片產(chǎn)業(yè)系列報道之一。

國內(nèi)外有許多公司和機構(gòu)正在類腦芯片研發(fā)上投入大量精力，美國在此項研究上開始較早，2014年IBM就推出了業(yè)內(nèi)首款類腦芯片TrueNorth。國內(nèi)最近幾年在芯片研發(fā)上也不甘示弱，也有西井科技這樣的初創(chuàng)公司投身到類腦芯片的研發(fā)中來，清華等知名高校也紛紛建立類腦研究中心。

相比于傳統(tǒng)芯片，類腦芯片的確在功耗上具有絕對優(yōu)勢，拿英特爾在本次CES上展出的自我學(xué)習(xí)芯片Loihi來說，不僅其學(xué)習(xí)效率比其他智能芯片高100萬倍，而且在完成同一個任務(wù)所消耗的能源比傳統(tǒng)芯片節(jié)省近1000倍。類腦芯片的集成度也非常高，拿浙大推出的“達(dá)爾文”芯片來說，其面積為25平方毫米，也就是說邊長只有0.5厘米，但內(nèi)部卻能包含500萬個晶體管。隨著行業(yè)對計算力要求越來越高，馮氏瓶頸將越來越明顯，顛覆傳統(tǒng)架構(gòu)的類腦芯片已為芯片行業(yè)開啟了一扇新的大門。

傳統(tǒng)芯片遇馮·諾依曼瓶頸 模擬神經(jīng)元成新思路

人腦神經(jīng)元在接受到刺激后，其細(xì)胞膜內(nèi)外帶電離子分布將發(fā)生變化，因而形成電位差，電位差將沿著神經(jīng)細(xì)胞軸突、樹突雙向傳導(dǎo)，形成脈沖電流。而當(dāng)該電信號傳遞到突觸時，突觸前神經(jīng)元將釋放神經(jīng)遞質(zhì)（如多巴胺、腎上腺素）由突觸后神經(jīng)元接受神經(jīng)遞質(zhì)產(chǎn)生興奮（該過程單向傳遞），并向下傳遞作用與人體反應(yīng)器并發(fā)生反應(yīng)。

2011年8月，IBM率先在類腦芯片上取得進(jìn)展，他們在模擬人腦大腦結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，研發(fā)出兩個具有感知、認(rèn)知功能的硅芯片原型。但因技術(shù)上的限制，IBM戲稱第一代TrueNorth為“蟲腦”。2014年TrueNorth第二代誕生，它使用了三星的28nm的工藝，共用了54億個晶體管，其性能相比于第一代有了不少提升。功耗每平方厘米消耗僅為 20 毫瓦，是第一代的百分之一，直徑僅有幾厘米，是第一代的十五分之一。

▲IBM Truenorth芯片

每個核都簡化模仿了人類大腦神經(jīng)結(jié)構(gòu)，包含256個“神經(jīng)元”（處理器）、256個“軸突”（存儲器）和64000個突觸（神經(jīng)元和軸突之間的通信）?？傮w來看，TrueNorth芯片由4096個內(nèi)核，100萬個“神經(jīng)元”、2.56億個“突觸”集成。此外，不同芯片還可以通過陣列的方式互聯(lián)。

IBM稱如果 48顆TrueNorth芯片組建起具有4800萬個神經(jīng)元的網(wǎng)絡(luò)，那這48顆芯片帶來的智力水平將相似于普通老鼠。

從2014年亮相后，這款芯片一直沒有大的動作。不久前，TrueNorth終于傳出了新進(jìn)展，有報道稱IBM公司即將開發(fā)由64個“TrueNorth”類腦芯片驅(qū)動的新型超級計算機。這一計算機能進(jìn)行大型深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實時分析，可用于高速空中真假目標(biāo)的區(qū)分，并且功耗比傳統(tǒng)的計算機芯片降低4個數(shù)量級。如果該系統(tǒng)功耗可以達(dá)到人腦級別，那么理論上就可以在64顆芯片原型基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴展，從而能夠同時處理任何數(shù)量的實時識別任務(wù)。

2、英特爾Loihi芯片

▲英特爾神經(jīng)擬態(tài)芯片Loihi

國內(nèi)也開始了類腦芯片的研究，除清華等知名高校開設(shè)研究院外，也出現(xiàn)了專注類腦芯片研發(fā)的創(chuàng)企，代表企業(yè)如上海的西井科技。

4、西井科技DeepSouth芯片

西井科技是國內(nèi)研究類腦強人工智能的公司，目前西井已推出了自主研發(fā)的擁有100億規(guī)模的神經(jīng)元人腦仿真模擬器（Westwell Brain）和可商用化的5000 萬類腦神經(jīng)元芯片（DeepSouth）兩款產(chǎn)品。 DeepSouth 是一款可商用化的芯片，它能模擬出高達(dá) 5000 萬級別的“神經(jīng)元”，總計有 50 多億“神經(jīng)突觸”。據(jù)西井CEO譚黎敏稱，該芯片除了具備“自我學(xué)習(xí)、自我實時提高”的能力外，還可以直接在芯片上完成計算，不需要通過網(wǎng)絡(luò)連接后臺服務(wù)器，可在“無網(wǎng)絡(luò)”情況下使用。

能耗方面，DeepSouth 在同一任務(wù)下的功耗僅為傳統(tǒng)芯片的幾十分之一到幾百分之一。

5、浙大“達(dá)爾文”類腦芯片

▲浙大和杭州電子科技共同研發(fā)的“達(dá)爾文”芯片

2015年一群來自浙江大學(xué)與杭州電子科技大學(xué)的年輕的研究者們研發(fā)出一款成為達(dá)爾文的類腦芯片。這款芯片是國內(nèi)首款基于硅材料的脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)類腦芯片。“達(dá)爾文”芯片面積為25平方毫米，比1元硬幣還要小，內(nèi)含500萬個晶體管。芯片上集成了2048個硅材質(zhì)的仿生神經(jīng)元，可支持超過400萬個神經(jīng)突觸和15個不同的突觸延遲。

據(jù)研發(fā)團(tuán)隊介紹說，這款芯片可從外界接受并累計刺激，產(chǎn)生脈沖（電信號）進(jìn)行信息的處理和傳遞，這如我們前面提到的人類神經(jīng)元間的信息傳遞一樣。研發(fā)人員還為“達(dá)爾文”開發(fā)了兩款簡單的智能應(yīng)用。一是這款芯片可識別不同人手寫的1-10這10個數(shù)字，二是“達(dá)爾文”在接受了人類腦電腦后，可控制電腦屏幕上籃球的移動方向。在熟悉并學(xué)習(xí)了操作者的腦電波后，“達(dá)爾文”會在后續(xù)接受相同刺激時做出同樣反映。

人腦的這三大特性始終是計算機無法比擬的：一是低能耗，人腦的功率大約為20瓦，而目前計算機功耗需要幾百萬瓦；二是容錯性，人腦時刻都在失去神經(jīng)元，而計算機失去一個晶體管就會破壞整個處理器；三是無需編程，大腦在于外界交互過程中自發(fā)學(xué)習(xí)和改變，并非遵循預(yù)先設(shè)計好的算法。

中國也十分重視類腦研究，并將類腦計算作為國家戰(zhàn)略發(fā)展的制高點。中國不僅在2015年將腦計劃作為重大科技項目列入國家“十三五”規(guī)劃，還發(fā)布了關(guān)于腦計劃“一體兩翼”的總體戰(zhàn)略：一體即認(rèn)識腦：以闡釋人類認(rèn)知的神經(jīng)基礎(chǔ)為主體和核心；兩翼即保護(hù)腦：預(yù)防、診斷和治療腦重大疾病和模擬腦：類腦計算。

中國的學(xué)術(shù)界也展開了對類腦的研究，2015 年中科院、清華、北大，相繼成立“腦科學(xué)與類腦智能研究中心”，2017年5月在合肥成立了類腦智能技術(shù)及應(yīng)用國家工程實驗室。這些實驗室將借鑒人腦機制攻關(guān)人工智能技術(shù)，推進(jìn)類腦神經(jīng)芯片、類腦智能機器人等新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

結(jié)語：類腦芯片或?qū)①x予機器智能

目前，搭載神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引擎的芯片層出不窮，芯片巨頭和初創(chuàng)們都在原有的馮諾依曼架構(gòu)上爭相利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化芯片計算力。從目前這類AI芯片的表現(xiàn)上看，FPGA的靈活性較好但開發(fā)難度大，ASIC因其功耗低、開發(fā)難度適中將在終端AI芯片上具有較大優(yōu)勢。