看點(diǎn):模仿低功耗、高運(yùn)算力人腦的類腦芯片,能給機(jī)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(jī)構(gòu)正在類腦芯片研發(fā)上投入大量精力,美國在此項(xiàng)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(jī)。這一計算機(jī)能進(jìn)行大型深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)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(jī)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(kuò)展,從而能夠同時處理任何數(shù)量的實(shí)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(qiáng)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(shí)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?!斑_(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(duì)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(jī)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(jī)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(jī)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(diǎn)。中國不僅在2015年將腦計劃作為重大科技項(xiàng)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(shí)驗(yàn)室。這些實(shí)驗(yàn)室將借鑒人腦機(jī)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(jī)器人等新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
結(jié)語:類腦芯片或?qū)①x予機(jī)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。
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原文標(biāo)題:類腦芯片:機(jī)器超越人腦的最后一擊
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