優(yōu)于深度學(xué)習(xí)AI芯片效率更高、功耗更低，類腦芯片研究進(jìn)展如何？

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李彎彎）近年來(lái)，深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNN）取得了令人矚目的成績(jī)，基于DNN的深度學(xué)習(xí)AI芯片業(yè)成為市場(chǎng)主流，然而深度學(xué)習(xí)所基于的大腦模型，是極度簡(jiǎn)化了的大腦神經(jīng)元及其連接電路，與人腦相比，他們?cè)谛史矫娴谋憩F(xiàn)仍然不夠好。

而與之相比，模仿大腦結(jié)構(gòu)的芯片具有更高的效率和更低的功耗，模仿這類大腦行為的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)被稱為神經(jīng)形態(tài)網(wǎng)絡(luò)，其代表為脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（SNN），神經(jīng)形態(tài)網(wǎng)絡(luò)的特征是使用更忠實(shí)地模仿大腦行為的模型，其對(duì)應(yīng)的芯片是類腦芯片。類腦芯片被視為人工智能的終極目標(biāo)，被稱為下一代人工智能。

早在2011年IBM率先在類腦芯片上取得進(jìn)展，不過(guò)因?yàn)榧夹g(shù)限制，第一代TrueNorth芯片的性能并不高。2014年該公司推出了第二代TrueNorth芯片，采用三星28nm工藝，由54個(gè)晶體管組成，片上網(wǎng)絡(luò)有4096個(gè)神經(jīng)突觸核心。加載了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的TrueNorth芯片可作為實(shí)時(shí)感知流推理引擎使用，而且能夠在快速、準(zhǔn)確分類的同時(shí)保持超低功耗。

清華大學(xué)也在2012年早早瞄準(zhǔn)人工智能發(fā)展，2014年成立聯(lián)合了七個(gè)院系的類腦計(jì)算研究中心，施路平為類腦計(jì)算研究中心主任，2015年第一代類腦芯片天機(jī)芯問(wèn)世，2017年團(tuán)隊(duì)研發(fā)出第二代天機(jī)芯，第二代天機(jī)芯具有高速度、高性能、低功耗的特點(diǎn)，制程縮小至28納米，第二代天機(jī)芯相比于當(dāng)時(shí)世界先進(jìn)的IBM的TrueNorth芯片，功能更全、靈活性和擴(kuò)展性更好，密度提升20%，速度提高至少10倍，帶寬提高至少100倍。

據(jù)介紹，搭載天機(jī)芯的自行車，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)視覺(jué)目標(biāo)探測(cè)、目標(biāo)追蹤、自動(dòng)過(guò)障和避障、自適應(yīng)姿態(tài)控制、語(yǔ)音理解控制、自主決策等功能。2019年由清華大學(xué)類腦計(jì)算研究中心施路平教授所帶團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出了全球首款異構(gòu)融合類腦計(jì)算芯片天機(jī)芯，登上最新一期Nature封面。天機(jī)芯把人工通用智能的兩個(gè)主要研究方向，即基于計(jì)算機(jī)科學(xué)和基于神經(jīng)科學(xué)這兩種方法，集成到一個(gè)平臺(tái)，可以同時(shí)支持機(jī)器學(xué)習(xí)算法和現(xiàn)有類腦計(jì)算算法。

英特爾也是類腦芯片的重要玩家，2017年發(fā)布第一代神經(jīng)擬態(tài)芯片Loihi，2021年9月30日發(fā)布第二代芯片Loihi 2，Loihi芯片是為新一代AI而設(shè)計(jì)的神經(jīng)擬態(tài)芯片，具備更強(qiáng)的持續(xù)學(xué)習(xí)和在線學(xué)習(xí)能力，不僅讓機(jī)器學(xué)習(xí)更快更高效，對(duì)于計(jì)算力的需求也更小，且可以滿足眾多新模型需求。據(jù)介紹，英特爾已經(jīng)與合作伙伴一起，將Loihi芯片應(yīng)用在機(jī)械臂、嗅覺(jué)傳感、人造皮膚等應(yīng)用上。

英特爾第二代Loihi芯片，結(jié)合了英特爾最新制程技術(shù)、異步時(shí)鐘設(shè)計(jì)模式等技術(shù)。除了神經(jīng)擬態(tài)處理速度變得更快，Loihi2芯片在可編程性和容量方面也有很大提升，在功耗和時(shí)延受限的智能計(jì)算應(yīng)用方面也更強(qiáng)大。它能為新型神經(jīng)啟發(fā)算法和應(yīng)用提供10倍的處理速度，每個(gè)芯片最多有100萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元，資源密度達(dá)15倍。

國(guó)內(nèi)致力于類腦芯片研究的還有時(shí)識(shí)科技和靈汐科技。靈汐科技是一家類腦計(jì)算技術(shù)科技公司，這家公司也推出了類腦芯片，并且還發(fā)布了基于類腦芯片的類腦計(jì)算板卡和服務(wù)器、軟件工具鏈和系統(tǒng)軟件。靈汐科技的類腦芯片KA200，基于全新的存算一體、眾核并行、異構(gòu)融合架構(gòu)，能高效支持深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和大規(guī)模腦仿真，該芯片采用12nm工藝，單芯片集成25萬(wàn)神經(jīng)元和2500萬(wàn)突觸，集成30個(gè)類腦計(jì)算核，支持混合精度計(jì)算。

時(shí)識(shí)科技的技術(shù)起源于蘇黎世大學(xué)與蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院先進(jìn)的數(shù)?；旌仙窠?jīng)形態(tài)處理器與神經(jīng)形態(tài)算法研發(fā)成果，擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。時(shí)識(shí)科技2017年2月成立于蘇黎世，2020年4月總部遷至中國(guó)。該公司開(kāi)發(fā)的純數(shù)字以及數(shù)?；旌仙窠?jīng)形態(tài)處理器，克服了傳統(tǒng)馮·諾依曼計(jì)算機(jī)的局限性，提供低功耗和低延遲性能，為永遠(yuǎn)在線的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和邊緣計(jì)算應(yīng)用，比如手勢(shì)識(shí)別、面部或物體檢測(cè)、定位、跟蹤和監(jiān)視等，開(kāi)發(fā)鋪平了道路。

類腦芯片的研究是基于微電子技術(shù)和新型神經(jīng)形態(tài)器件的結(jié)合，希望突破傳統(tǒng)計(jì)算架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)與計(jì)算的深度融合，大幅提升計(jì)算性能、提高集成度、降低能耗。然而類腦芯片前景雖好，相比于依靠馮諾依曼結(jié)構(gòu)的芯片來(lái)說(shuō)仍處于研發(fā)階段，雖然已有一些產(chǎn)品面世，然而應(yīng)用卻并不多見(jiàn)，如果要實(shí)現(xiàn)突破未來(lái)還需要更多投入。