IBM召集极客,着手人脑芯片超智能应用开发

2016-04-14 09:36:00
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        IBM在4月初于美国加州举行的年度国际物理设计研讨会(International Symposium on Physical Design 2016,ISPD)公布了其根据人脑结构所设计的神经型态混合信号芯片TrueNorth现况,包括其芯片架构、评估板数组、参考设计系统以及软件生态系统。

        在ISPD期间,IBM畅谈该公司的类人脑计算机计划,期望该公司将成为家喻户晓的品牌,支持包括超智能物联网(IoT)到超智能车辆、摄影机、无人机、医疗装置,以及当然还有超智能超级计算机等等应用。

        IBM的低功耗神经型态电路设计师(Low-Power Neuromorphic Circuit Designer) Filipp Akopyan 在一篇题为“IBM TrueNorth 设计与工具流程:一颗内含百万神经元的超低功耗可编程神经型态芯片(An Ultra-Low Power Programmable Neurosynaptic Chip with 1-Million Neurons)”中,介绍了该公司的相关软硬件与支持生态系统。

        IBM的类人脑芯片架构,是透过研究人脑的皮层神经元发展而来(来源:EE Times)

        Akopyan 表示,IBM的TrueNorth芯片目标是网络边缘(Edge-of-the-Net)以及大数据(Big Data)解决方案,支持以超低功耗组件处理大量实时数据──该内含54亿个晶体管的神经型态芯片,耗电量仅700毫瓦(milliWatts)。

        “今日我们正用移动终端制造大量数据,必须由云端计算机来处理,但TrueNorth 可配置在网络边缘,让数据流馈入并进行处理,被传送到云端的只有重要项目以及摘要;”Akopyan 指出:“但运算资源却正往错误的高功率方向发展,它们最好要被降低到生物性水平。”

        IBM以神经型态核心(neuromorphic core)──也就是一批与树突(dendrites,输入端)与轴突(axons,输出端)连结的神经元──为起点,任何一个神经元都能传送信息──称为棘波(spike)──到其他任何一个神经元做为1或是0 (电压脉冲或棘波)。

        芯片上的神经元能传送/接受来自任何其他芯片神经元的讯息──这是更佳的通信方法,因为稀疏的本地通信不只像是大脑里所进行的那样,而且可达到最低的讯号延迟。任何神经元也能传送讯息到芯片外,甚至电路板外的神经元,但延迟会较高。

        TrueNorth 芯片规格(来源:EE Times)

        TrueNorth 能实现70毫瓦功耗的关键是采用异步逻辑(asynchronous logic),整个芯片除非是某特定神经元正被开启应用于与其他神经元通信期间,其功率消耗为零。在结构上,其内含的54亿晶体管如果采用同步架构,可能 会消耗50~100瓦,但异步架构使其功耗降到最低。为了实现在结构上的任何神经元相互链接,芯片上有一个巨大的纵横栓开关(crossbar switch)。

        独特的芯片设计工具

        IBM采用来自众多EDA供货商的工具来设计TrueNorth芯片,包括Cadence、Synopsys以及Spice,但也不得不自己开发EDA工具来支持部分同步、部分异步架构的共同设计。由IBM自行开发的工具命名为CoSim,顾名思义,该工具能让芯片的不同部分,在不同工具上同步进行共同模拟。

        “我们使用不同的仿真器来设计TrueNorth芯片的不同部分,”Akopyan表示:“我们的CoSim工具能提供混合式的工具流程,以支持 TrueNorth的客制化共同模拟。”而IBM的开发成果,是一个由64×64、共4,096个神经型态核心组成的中央数组,每个核心有256个神经元以及64k内存突触;整个芯片有2.56亿突触、54亿个晶体管、功耗仅70毫瓦。

        此外那些神经型态核心能无限制组合,让未来的神经型态内存能扩展成更大的芯片;目前IBM的TrueNorth芯片采用Samsung的28纳米低功耗制程。为向潜在客户(从物联网设备制造 商到军用无人机、超级计算机制造商)展示TrueNorth芯片的功能,IBM打造了单芯片单电路板,也有内含16片、48片电路板的机箱,以及内含16颗TrueNorth的单片电路板。

        未来IBM还计划打造配备64、256、1,024、4,096颗TrueNorth芯片的电路板,最后一种的功能可达到人脑能力的1%。IBM并有一个针对TrueNorth的软件开发与应用城市开发生态系统,更多信息可链接TrueNorth的官方网站。

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updated: 2020-12-01 03:46:32