IBM科學家日前發布首款前所未有的超大規模神經突觸計算機芯片， 其中含有100萬個可編程神經元、2.56億個可編程突觸，每消耗一焦耳的能量，可進行460億突觸運算。這款由54億支晶體管組成的功能齊全、可大規模生產的芯片是迄今建造的最大的CMOS芯片之一。并且在進行生物實時運算時，這款芯片的功耗低至70毫瓦（mW），比現代微處理器功耗低數個數量級。神經突觸超級計算機芯片如同一枚郵票大小，其工作電源相當于助聽器電池，這種支持視覺、聽覺和多感官應用的技術將給科技、商務和社會帶來全新的變化。

該突破性技術成果已于近日與康奈爾理工學院 (Cornell Tech) 合作發表在《科學》（Science）雜志上，這意味著向社會步入認知計算機時代邁出了重要一步。

與當前計算機相比，人類大腦的認知能力和超低功耗間存在巨大差距。為了消除鴻溝，IBM科學家們創造了前所未有的技術—— 一個全新的、神經科學啟發的、可擴展的、高效的計算機架構，這種架構一舉打破了自1946年以來普遍盛行的馮 • 諾依曼 (von Neumann) 計算機架構。該第二代芯片是近十年來研發取得的最高成果，它包括2011年最初的單核硬件原型，以及2013年采用最新編程語言及芯片模擬器的軟件生態系統。

新型認知芯片架構由4,096個數字化的分布式神經突觸核心組成片上二維網狀網絡，其中每個核心模塊以事件驅動、并行、及容錯機制將內存、計算和通信集成在一起。為使系統不受單芯片局限，該新型認知芯片在兩塊相鄰平鋪時，可實現無縫拼接，這為日后構建神經突觸超級計算機奠定了基礎。為證明其可擴展性，IBM還展示了一款16芯片系統，該系統含有1,600萬可編程神經元和40億可編程突觸。

“IBM以全新架構、空前規模、無與倫比的功耗/面積/速度比、無限的擴展能力及創新設計技術，在基于人腦啟發的計算機領域取得重大突破。我們可以預見新一代的信息技術系統，這種系統與當今的馮 • 諾依曼機器相輔相成，不斷發展的系統、 軟件和服務生態系統將為其提供支持。” IBM研究院院士，大腦仿生計算首席科學家 Dharmendra S. Modha 博士說，“這些基于人腦啟發的芯片可通過掌上設備的感應與智能化的應用，改變移動市場，而且它們不需要WiFi。這個成果凸顯了IBM通過長期投資有機創新，在實現計算轉型的歷史關鍵時刻的領導地位。”

構建芯片

這款芯片采用了三星28納米的工藝技術，具有密集的片上存儲器和低泄漏晶體管。

三星電子晶圓代工市場營銷副總裁Shawn Han指出：“利用傳統商用低功耗移動設備工藝技術進行芯片生產，令人嘆為觀止，這種芯片能以極低電耗模仿人類大腦處理海量的感官信息。這在系統架構方面是一項重大突破，對于業界下一代云計算和大數據處理的發展至關重要。利用三星28納米技術推動下一代技術進程讓人倍感欣慰。"

芯片的事件驅動電路元件采用的是由康奈爾理工學院開發，及2008年以來由IBM重新優化的異步設計方法。

“與IBM合作多年后，現在我們向構建仿人腦計算機又邁進了一步。“ 康奈爾理工學院Rajit Manohar教授說。

先進的工藝技術、異步-同步混合的設計方法及新型架構的結合使功率密度達到20mW/cm2，這幾乎比當前的微處理器低了近四個數量級。

推進SyNAPSE生態系統
這款新型芯片是一個完整的端到端垂直整合生態系統的組件，涵蓋芯片模擬器、神經科學數據、超級計算、神經元技術規格、編程規范、算法和應用程序以及原型設計模型。該生態系統全面支持從設計到開發、調試及部署的整個編程周期。

為將這種完全與眾不同的技術功能推向社會，IBM 為高校、客戶、合作伙伴和IBM員工設計了新穎的教學課程。

應用和愿景

該生態系統標志著一切正在轉變： 計算正越來越依靠數據、引入大量不同類型的感官數據、應用上下文相關方法分析并整合實時信息、處理復雜現實環境中出現的異常情況。

展望未來，IBM將在功耗、體積和速度受限的移動設備中集成多感官神經突觸處理功能；在芯片上整合新型事件驅動型傳感器；利用神經突觸系統加快實時多媒體云服務；在基板上平鋪多塊芯片構建神經突觸超級計算機，最終創建出神經突觸多達100萬億以上的系統。

在之前論證的片上神經突觸核心在線學習的基礎上，IBM 計劃建立一種能夠適應現實環境條件的學習系統。雖然目前硬件采用的是現代CMOS工藝生產，但其基礎架構將利用未來內存、3D 集成、邏輯和傳感器技術的優勢，進一步降低功耗、提高封裝密度、并加快運行速度。