IBM日前公布了旗下Truenorth的詳細發展計劃。Truenorth是一款基于人腦神經形態混合信號的計算機芯片。Truenorth構造師在2016年物理設計大會（ISPD物理設計國際研討會）上描述了 Truenorth芯片的架構、評估板系列、參考系統和軟件生態系統。2016年物理設計國際研討會是計算機械協會（ACM）舉辦的討論下一代芯片的會議，會議得到英特爾、IBM、Cadence、Global Foundries、IMEC、Oracle、Synopsys、TSMC、Altera、Xilinx和其他全球明星級芯片制造商的贊助。
從第一個微處理器到今天Supercomputers-on-a-chip（超級單片機芯片），其時鐘速度和功耗都在穩步增加（圖的右上），而IBM Truenorth設計師表示，我們其實應該朝相反的方向走，要沿著更低時鐘速度和更低功耗那條曲線走，最終降低到人腦等級的10Hz、20瓦（圖的左下）。
IBM在ISPD上描述了稱之為大腦式計算機啟示的概念，并希望這個詞在各個領域成為大家熟知的名字，包括各種應用，如超級智能物聯網（IoT）、超智能汽車、超智能相機、超智能無人駕駛飛機、超智能醫療設備，當然還有超智能超級計算機。
IBM的大腦式架構從圖的左上角開始，先研究人類大腦的皮層神經元結構，再往右邊伸展，進入結構性的、功能性及最后的物理實現。同樣，更復雜的神經形態大腦式啟示亦是從左上向下，從核心概念到單芯片到多芯片模塊。
IBM低功率神經電路設計師Filipp Akopyan在會上做了題為 “IBM Truenorth的設計和工具流程：一款含一百萬個神經元的超低功耗可編程神經突觸（Neurosynaptic）芯片” 的邀請演講發言，他描述IBM的硬件、軟件和支持生態系統的發展。
IBM開發了自己EDA工具，可與Cadence、Synopsis、 Spice及其他軟件一起使用，幻燈片里列出了理由。
Akopyan表示，IBM Truenorth芯片的目標是網絡邊緣和大數據解決方案，這些應用里有海量實時數據需要采用超低功耗設備進行處理，Truenorth芯片里含54億個低成本晶體管神經突觸芯片，但消耗的功率僅為700毫瓦，最適合處理此類應用。
Truenorth芯片與眾最大不同的地方為，芯片同時具有傳統的同步部分（接口和時序）和異步部分（大腦式架構），其設計流程必須分開但又必須同時進行，如圖中所示。
Akopyan表示， “目前我們的移動設備產生海量的數據，現在是交給云計算機處理，而Truenorth可以置于網絡邊緣，在數據進入網絡邊緣時對其進行智能處理和歸納，只將重要的東西發往云里。但計算資源往高功率方向的發展是錯的，應該朝低功率方向走，最好是小到生物級別。”
神經芯片同步和異步部分協同仿真的必要性，IBM用流程圖做了說明。
IBM從一個神經形態內核著手，許多神經樹突（輸入）和軸突（輸出）連在一起。每個神經元都可以向另一個神經元發出（稱之為“尖峰”的）信號，信號可為一或零（電壓脈沖或“尖峰”）。芯片上的神經元可以發信號給同一芯片上的其他神經元或是接受來自同一芯片其他神經元的信號，這種信號方式有其優越性，原因不僅是因為稀疏的本地通信和人腦內的通信方式類似，而且信號延遲也更小。神經元也可以向不在同一芯片甚至不在同一塊板上的其他神經元發信息，但延遲明顯更大。
Truenorth芯片的所有部件有關人腦式架構的實現在這個圖里有詳細的說明。
Truenorth的功耗為70毫瓦，很關鍵的一點，主要是使用了異步邏輯，整個芯片的功耗在神經元未打開前為零，而神經元只是在與其他神經元通信時才會打開。從結構上來看，同步的54億個晶體管會消耗50到100瓦，而異步架構的功率則非常小。
為了使神經元構成任意至任意的連接結構，芯片上有一個龐大的交叉開關，用于將芯片上54個億晶體管的神經元連在一起。Akopyan稱此交叉開關是“世界上最大的之一”。
IBM的第一個電路板層次解決方案用了單一的Truenorth芯片。DARPA和Lawerence Livermore國家實驗室分別開始在他們的捕食者無人機 和核管理程序里使用此芯片。
獨特的工具
IBM用了多家供應商的工具，包括Cadence、Synopsys和Spice，IBM也打造了一些自己的EDA工具，以支持Truenorth部分同步和部分異步架構的協同設計。IBM創建的工具名為CoSim，名字的意思是在芯片上不同的部分、在不同的工具軟件里同時進行模擬。
Akopyan表示，“我們用了不同的模擬工具軟件設計Truenorth芯片不同的部分。利用CoSim工具可以進行混合工具流程，對Truenorth進行定制的協同模擬。”
IBM的第一款16-芯片板的買主是Lawerence Livermore國家實驗室。Lawerence Livermore國家實驗室用這款板模擬美國日益老化的核武庫管理。
如此得到的是一個64x64、一共4096個神經突觸內核的中央陣列，每一個神經突觸內核含256個神經元和64K內存突觸，共100萬個神經元和256萬個突觸，用了54億個晶體管，消耗功率僅70毫瓦。此外，這些內核可以平鋪無限擴展，內核在將來的芯片得到擴展后可以用于擴展神經處理器。目前的芯片采用三星28納米低功耗工藝。
IBM的長期計劃是推出越來越大的大腦式神經形態計算機型號，用目前的芯片可打造的最大的神經形態計算機的神經元數目可達人類大腦的百分之一。
為了向一眾物聯網廠商、軍用無人機制造商、超級計算機制造商等潛在客戶 展示Truenorth芯片，IBM推出了單芯片獨立板機，一個盤上有16塊板，全機48塊板，每塊板含16枚 Truenorth芯片，IBM計劃以后推出64、256、1024和4096枚芯片的盤，后者的神經元數目將達到人腦的1%。
除了神經形態大腦式計算機本身之外，IBM還創建了一個含設計軟件、驅動、分銷渠道和平臺的完整生態系統。
IBM還創建一個軟件開發和應用程序開發的生態系統。
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