新型芯片采用基于類似人腦的、非馮 ? 諾依曼的計(jì)算架構(gòu)，含有100萬神經(jīng)元和2.56億突觸。
利用三星28納米工藝技術(shù)，由54億個(gè)晶體管組成的芯片構(gòu)成有4,096個(gè)神經(jīng)突觸核心的片上網(wǎng)絡(luò)，其實(shí)時(shí)作業(yè)功耗僅為70毫瓦(mW)。
完整的認(rèn)知軟硬件生態(tài)系統(tǒng)開啟了面向移動(dòng)、云計(jì)算、超級(jí)計(jì)算和分布式傳感器應(yīng)用的新計(jì)算領(lǐng)域。
IBM科學(xué)家日前發(fā)布首款前所未有的超大規(guī)模神經(jīng)突觸計(jì)算機(jī)芯片， 其中含有100萬個(gè)可編程神經(jīng)元、2.56億個(gè)可編程突觸，每消耗一焦耳的能量，可進(jìn)行460億突觸運(yùn)算。這款由54億支晶體管組成的功能齊全、可大規(guī)模生產(chǎn)的芯片是迄今建造的最大的CMOS芯片之一。并且在進(jìn)行生物實(shí)時(shí)運(yùn)算時(shí)，這款芯片的功耗低至70毫瓦(mW)，比現(xiàn)代微處理器功耗低數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)。神經(jīng)突觸超級(jí)計(jì)算機(jī)芯片如同一枚郵票大小，其工作電源相當(dāng)于助聽器電池，這種支持視覺、聽覺和多感官應(yīng)用的技術(shù)將給科技、商務(wù)和社會(huì)帶來全新的變化。
該突破性技術(shù)成果已于近日與康奈爾理工學(xué)院 (Cornell Tech) 合作發(fā)表在《科學(xué)》(Science)雜志上，這意味著向社會(huì)步入認(rèn)知計(jì)算機(jī)時(shí)代邁出了重要一步。
與當(dāng)前計(jì)算機(jī)相比，人類大腦的認(rèn)知能力和超低功耗間存在巨大差距。為了消除鴻溝，IBM科學(xué)家們創(chuàng)造了前所未有的技術(shù)—— 一個(gè)全新的、神經(jīng)科學(xué)啟發(fā)的、可擴(kuò)展的、高效的計(jì)算機(jī)架構(gòu)，這種架構(gòu)一舉打破了自1946年以來普遍盛行的馮 ? 諾依曼 (von Neumann) 計(jì)算機(jī)架構(gòu)。該第二代芯片是近十年來研發(fā)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(tài)系統(tǒng)。
新型認(rèn)知芯片架構(gòu)由4,096個(gè)數(shù)字化的分布式神經(jīng)突觸核心組成片上二維網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，其中每個(gè)核心模塊以事件驅(qū)動(dòng)、并行、及容錯(cuò)機(jī)制將內(nèi)存、計(jì)算和通信集成在一起。為使系統(tǒng)不受單芯片局限，該新型認(rèn)知芯片在兩塊相鄰平鋪時(shí)，可實(shí)現(xiàn)無縫拼接，這為日后構(gòu)建神經(jīng)突觸超級(jí)計(jì)算機(jī)奠定了基礎(chǔ)。為證明其可擴(kuò)展性，IBM還展示了一款16芯片系統(tǒng)，該系統(tǒng)含有1,600萬可編程神經(jīng)元和40億可編程突觸。
“IBM以全新架構(gòu)、空前規(guī)模、無與倫比的功耗/面積/速度比、無限的擴(kuò)展能力及創(chuàng)新設(shè)計(jì)技術(shù)，在基于人腦啟發(fā)的計(jì)算機(jī)領(lǐng)域取得重大突破。我們可以預(yù)見新一代的信息技術(shù)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)與當(dāng)今的馮 ? 諾依曼機(jī)器相輔相成，不斷發(fā)展的系統(tǒng)、 軟件和服務(wù)生態(tài)系統(tǒng)將為其提供支持。” IBM研究院院士，大腦仿生計(jì)算首席科學(xué)家 Dharmendra S. Modha 博士說，“這些基于人腦啟發(fā)的芯片可通過掌上設(shè)備的感應(yīng)與智能化的應(yīng)用，改變移動(dòng)市場(chǎng)，而且它們不需要WiFi。這個(gè)成果凸顯了IBM通過長期投資有機(jī)創(chuàng)新，在實(shí)現(xiàn)計(jì)算轉(zhuǎn)型的歷史關(guān)鍵時(shí)刻的領(lǐng)導(dǎo)地位。”
構(gòu)建芯片
這款芯片采用了三星28納米的工藝技術(shù)，具有密集的片上存儲(chǔ)器和低泄漏晶體管。
三星電子晶圓代工市場(chǎng)營銷副總裁Shawn Han指出：“利用傳統(tǒng)商用低功耗移動(dòng)設(shè)備工藝技術(shù)進(jìn)行芯片生產(chǎn)，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(tǒng)架構(gòu)方面是一項(xiàng)重大突破，對(duì)于業(yè)界下一代云計(jì)算和大數(shù)據(jù)處理的發(fā)展至關(guān)重要。利用三星28納米技術(shù)推動(dòng)下一代技術(shù)進(jìn)程讓人倍感欣慰。"
芯片的事件驅(qū)動(dòng)電路元件采用的是由康奈爾理工學(xué)院開發(fā)，及2008年以來由IBM重新優(yōu)化的異步設(shè)計(jì)方法。
“與IBM合作多年后，現(xiàn)在我們向構(gòu)建仿人腦計(jì)算機(jī)又邁進(jìn)了一步。“ 康奈爾理工學(xué)院Rajit Manohar教授說。
先進(jìn)的工藝技術(shù)、異步-同步混合的設(shè)計(jì)方法及新型架構(gòu)的結(jié)合使功率密度達(dá)到20mW/cm2，這幾乎比當(dāng)前的微處理器低了近四個(gè)數(shù)量級(jí)。
推進(jìn)SyNAPSE生態(tài)系統(tǒng)
這款新型芯片是一個(gè)完整的端到端垂直整合生態(tài)系統(tǒng)的組件，涵蓋芯片模擬器、神經(jīng)科學(xué)數(shù)據(jù)、超級(jí)計(jì)算、神經(jīng)元技術(shù)規(guī)格、編程規(guī)范、算法和應(yīng)用程序以及原型設(shè)計(jì)模型。該生態(tài)系統(tǒng)全面支持從設(shè)計(jì)到開發(fā)、調(diào)試及部署的整個(gè)編程周期。
為將這種完全與眾不同的技術(shù)功能推向社會(huì)，IBM 為高校、客戶、合作伙伴和IBM員工設(shè)計(jì)了新穎的教學(xué)課程。
應(yīng)用和愿景
該生態(tài)系統(tǒng)標(biāo)志著一切正在轉(zhuǎn)變： 計(jì)算正越來越依靠數(shù)據(jù)、引入大量不同類型的感官數(shù)據(jù)、應(yīng)用上下文相關(guān)方法分析并整合實(shí)時(shí)信息、處理復(fù)雜現(xiàn)實(shí)環(huán)境中出現(xiàn)的異常情況。
展望未來，IBM將在功耗、體積和速度受限的移動(dòng)設(shè)備中集成多感官神經(jīng)突觸處理功能;在芯片上整合新型事件驅(qū)動(dòng)型傳感器;利用神經(jīng)突觸系統(tǒng)加快實(shí)時(shí)多媒體云服務(wù);在基板上平鋪多塊芯片構(gòu)建神經(jīng)突觸超級(jí)計(jì)算機(jī)，最終創(chuàng)建出神經(jīng)突觸多達(dá)100萬億以上的系統(tǒng)。
在之前論證的片上神經(jīng)突觸核心在線學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，IBM 計(jì)劃建立一種能夠適應(yīng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境條件的學(xué)習(xí)系統(tǒng)。雖然目前硬件采用的是現(xiàn)代CMOS工藝生產(chǎn)，但其基礎(chǔ)架構(gòu)將利用未來內(nèi)存、3D 集成、邏輯和傳感器技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步降低功耗、提高封裝密度、并加快運(yùn)行速度。
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