毛磊 姚保寅 黃旭輝 王智斌

隨著智能時(shí)代對(duì)大規(guī)模數(shù)據(jù)處理的要求越來(lái)越高，摩爾定律下的處理器集成器件數(shù)量越發(fā)接近極限，當(dāng)下急需通過(guò)架構(gòu)的變化以應(yīng)對(duì)大數(shù)據(jù)的需求。類腦計(jì)算芯片結(jié)合微電子技術(shù)和新型神經(jīng)形態(tài)器件，模仿人腦神經(jīng)系統(tǒng)計(jì)算原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，旨在突破“馮˙諾依曼瓶頸”，實(shí)現(xiàn)類似人腦的超低功耗和并行信息處理能力。

基本概念與內(nèi)涵

類腦計(jì)算芯片（簡(jiǎn)稱“類腦芯片”），廣義上指參考人腦神經(jīng)元結(jié)構(gòu)和人腦感知認(rèn)知方式來(lái)設(shè)計(jì)的芯片，分為兩大類：一是側(cè)重于參照人腦神經(jīng)元模型及其組織結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)芯片結(jié)構(gòu)，稱為神經(jīng)形態(tài)芯片，如IBM公司的“真北”;二是側(cè)重于參照人腦感知認(rèn)知的計(jì)算模型而非神經(jīng)元組織結(jié)構(gòu)，即設(shè)計(jì)芯片結(jié)構(gòu)來(lái)高效支持人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等成熟的認(rèn)知算法。狹義上，類腦芯片一般指神經(jīng)形態(tài)芯片。

類腦芯片尤其是神經(jīng)形態(tài)芯片具有如下特點(diǎn)：善于做復(fù)雜時(shí)空序列分析;雖然每個(gè)神經(jīng)元發(fā)放速率很低，但基于全并行運(yùn)算，響應(yīng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于現(xiàn)有解決方案;適合做各種傳感器信息的實(shí)時(shí)處理;獨(dú)有的事件觸發(fā)運(yùn)算機(jī)制，即當(dāng)沒(méi)有動(dòng)態(tài)信息生成的時(shí)候不會(huì)有運(yùn)算發(fā)生。

發(fā)展現(xiàn)狀及水平

類腦芯片起源于20世紀(jì)80年代，加州理工學(xué)院教授卡弗·米德最先提出的“神經(jīng)擬態(tài)計(jì)算”的設(shè)計(jì)理念。2008年美國(guó)惠普公司發(fā)明出可模仿人腦觸功能的憶阻器，使得以硬件形式模仿人腦形態(tài)和功能首次成為可能，為類腦芯片的快速發(fā)展奠定重要基礎(chǔ)。美歐日等均設(shè)立各種類腦計(jì)劃，為未來(lái)發(fā)展開(kāi)辟道路，如美國(guó)2013年宣布的“通過(guò)發(fā)展創(chuàng)新性神經(jīng)技術(shù)的大腦研究”計(jì)劃（簡(jiǎn)稱“大腦”計(jì)劃）、歐盟第七框架計(jì)劃的旗艦項(xiàng)目“人腦工程”、日本文部科學(xué)省2014年9月啟動(dòng)的“大腦研究計(jì)劃”等。

IBM公司的“真北”類腦芯片

美國(guó)DARPA在2008年憶阻器研制成功后，迅速啟動(dòng)總投資1.01億美元，為期6年的“神經(jīng)形態(tài)自適應(yīng)可塑可擴(kuò)展電子系統(tǒng)”項(xiàng)目，旨在研制出具有百萬(wàn)神經(jīng)元級(jí)別的類腦芯片，項(xiàng)目主要由IBM和休斯研究實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)。

IBM于2014年發(fā)布了第二代“真北”類腦芯片，采用28納米工藝，含100萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元數(shù)量、2.56億個(gè)可編程突觸、54億個(gè)晶體管，每秒可執(zhí)行460億次突觸運(yùn)算，總功耗為70毫瓦，尺寸僅為一張郵票大小，能以80%的正確率對(duì)校園監(jiān)控視頻中的行人和車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)分類，相比執(zhí)行同樣任務(wù)的筆記本電腦，“真北”速度是后者的100倍，功率僅為其千分之一。

為加速實(shí)現(xiàn)“真北”類腦芯片實(shí)際應(yīng)用，IBM公司還開(kāi)發(fā)出“核心集”硬件描述語(yǔ)言，為類腦芯片的功能定制提供便利。目前，IBM公司以“神經(jīng)突觸核心”為基本模塊，已開(kāi)發(fā)出150余種能實(shí)現(xiàn)特定功能的算法包。算法包間還可進(jìn)一步結(jié)合，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的功能。

IBM公司側(cè)重架構(gòu)研究，對(duì)“真北”芯片中的“神經(jīng)突觸核心”電路做了充分簡(jiǎn)化，其中的突觸只具有導(dǎo)通和斷開(kāi)兩種狀態(tài)。這種設(shè)計(jì)便于用傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真模擬，但缺乏通過(guò)即時(shí)學(xué)習(xí)改善芯片性能的能力。休斯研究實(shí)驗(yàn)室的“神經(jīng)突觸核心”采用模擬設(shè)計(jì)，并利用“突觸時(shí)分復(fù)用技術(shù)”使每個(gè)實(shí)體突觸都能發(fā)揮上萬(wàn)個(gè)虛擬突觸的作用。2014年6月，該實(shí)驗(yàn)室研制出包含576個(gè)神經(jīng)元和7.3萬(wàn)突觸的芯片，演示了通過(guò)即時(shí)學(xué)習(xí)改善芯片性能的能力。在項(xiàng)目下一階段，該成果將應(yīng)用于“真北”架構(gòu)，構(gòu)建可實(shí)時(shí)學(xué)習(xí)的類腦微處理器。

除“真北”芯片外，英特爾于2017年發(fā)布了Loihi類腦芯片，采用異構(gòu)設(shè)計(jì)，擁有13萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元和1.3億個(gè)突觸，可加速機(jī)器學(xué)習(xí)，同時(shí)將功耗要求降低到現(xiàn)有芯片的千分之一。英特爾于2019年展示了其最新的可模擬800多萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元的Pohoiki?Beach芯片系統(tǒng)，含64顆Loihi芯片，集成1320億個(gè)晶體管，總面積3840平方毫米，擁有800多萬(wàn)個(gè)“神經(jīng)元”（相當(dāng)于某些小型嚙齒動(dòng)物的大腦）和80億個(gè)“突觸”，執(zhí)行任務(wù)速度比傳統(tǒng)CPU快1千倍，能效可提高1萬(wàn)倍。此外，高通、谷歌和英偉達(dá)等也在加大類腦芯片的研究。前幾年大火的谷歌AlphaGo和英偉達(dá)GPU等，均采用了最新類腦芯片技術(shù)。

歐盟在“人腦工程”計(jì)劃的支持下，類腦芯片研制也取得顯著進(jìn)展。英國(guó)曼徹斯特大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的“脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)”項(xiàng)目是“人腦工程”計(jì)劃的基礎(chǔ)仿真項(xiàng)目。該項(xiàng)目基于多核ARM芯片構(gòu)建認(rèn)知超級(jí)計(jì)算機(jī)。2018年，全球最大的神經(jīng)形態(tài)超級(jí)計(jì)算機(jī)“脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)”首次啟用，擁有100萬(wàn)個(gè)處理器內(nèi)核，每秒可執(zhí)行200萬(wàn)億次操作，能夠達(dá)到人腦百分之一的比例，是世界上第一個(gè)低功耗、大規(guī)模人腦數(shù)字模型。

德國(guó)海德堡大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的“多層次大腦”項(xiàng)目是“人腦工程”計(jì)劃的神經(jīng)形態(tài)計(jì)算項(xiàng)目。該項(xiàng)目將從神經(jīng)元到大腦整體等不同層次加深對(duì)大腦信息處理過(guò)程的理解，在8英寸晶片上構(gòu)建了384塊緊密互聯(lián)的神經(jīng)形態(tài)管芯，包括20萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元和5000萬(wàn)個(gè)突觸，采用這種神經(jīng)形態(tài)處理器的計(jì)算機(jī)已經(jīng)成功運(yùn)行，功能比IBM公司的“真北”神經(jīng)形態(tài)芯片更接近生物神經(jīng)元。

關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

類腦芯片關(guān)鍵技術(shù)主要包括算法模型和硬件平臺(tái)技術(shù)兩大類。

算法模型技術(shù)??類腦芯片算法模型技術(shù)主要涉及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。其中，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)受到腦網(wǎng)絡(luò)啟發(fā)，通過(guò)連接大量具有相同計(jì)算功能的神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)形成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入輸出模式的擬合近似。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)從輸入到輸出呈現(xiàn)層級(jí)結(jié)構(gòu)，當(dāng)層數(shù)較多時(shí)則被稱為深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)上是存儲(chǔ)和計(jì)算并行，脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則更嚴(yán)格地模擬大腦的信息處理機(jī)制，與前者主要有兩大不同，其一是采用脈沖編碼（0/1），其二是具有豐富的時(shí)間動(dòng)力學(xué)。

脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法需要有與生物神經(jīng)元的動(dòng)力學(xué)相似的人工突觸和神經(jīng)元。對(duì)模擬突觸功能至關(guān)重要的人工突觸已經(jīng)被簡(jiǎn)單的兩終端憶阻器實(shí)現(xiàn)。最近，帶有積分泄漏和發(fā)放功能的人工神經(jīng)元也被單一的憶阻器器件實(shí)現(xiàn)。支持脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的器件通常稱為神經(jīng)形態(tài)器件，目前大多只能體現(xiàn)低功耗的特性，性能尚不能與深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)匹敵。

“脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)”類腦芯片

硬件平臺(tái)技術(shù)??類腦芯片硬件平臺(tái)技術(shù)主要涉及深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專用處理器和神經(jīng)芯片及系統(tǒng)。面向深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的專用處理器設(shè)計(jì)需要充分考慮大量參數(shù)存儲(chǔ)訪問(wèn)帶來(lái)的面積、速度和能耗瓶頸，通過(guò)壓縮和簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)模型，結(jié)合計(jì)算模塊的設(shè)計(jì)進(jìn)一步優(yōu)化整個(gè)架構(gòu)。還有另一類深度學(xué)習(xí)專用處理器的解決方案，主要基于深度壓縮算法來(lái)指導(dǎo)硬件設(shè)計(jì)。具體來(lái)說(shuō)，主要在不損失過(guò)多性能的前提下，通過(guò)在理論算法層面對(duì)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行各種近似或壓縮，從而設(shè)計(jì)輕量化網(wǎng)絡(luò)以減小所需要的計(jì)算和存儲(chǔ)資源，實(shí)現(xiàn)更快的運(yùn)行速度和更低的能量消耗。

目前神經(jīng)形態(tài)芯片主要基于傳統(tǒng)CMOS技術(shù)的神經(jīng)形態(tài)計(jì)算電路和基于新型納米器件的神經(jīng)形態(tài)計(jì)算電路。傳統(tǒng)CMOS技術(shù)發(fā)展相對(duì)比較成熟，如“真北”芯片是異步-同步混合（無(wú)全局時(shí)鐘）數(shù)字電路的代表作;海德堡大學(xué)的“多層次大腦”芯片則是模擬集成電路的代表作。而基于新型納米器件的神經(jīng)形態(tài)計(jì)算電路目前最受關(guān)注的方向是利用憶阻器等搭建的神經(jīng)形態(tài)芯片。

深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專用處理器和神經(jīng)形態(tài)芯片分別支持人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。通過(guò)設(shè)計(jì)通用類腦芯片，可實(shí)現(xiàn)上述兩種模型異構(gòu)融合，在保持專用芯片高效能的同時(shí)，需盡可能提高對(duì)上述模型支持的通用性。

應(yīng)用前景

類腦芯片擁有超低功耗、大規(guī)模并行計(jì)算、高速或?qū)崟r(shí)信息處理等技術(shù)潛力，在軍事應(yīng)用場(chǎng)景下，特別是對(duì)性能、速度、功耗有強(qiáng)約束的條件下，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可用于天/空基針對(duì)軍事目標(biāo)的超低延時(shí)動(dòng)態(tài)視覺(jué)識(shí)別，組建認(rèn)知超級(jí)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)快速處理，此外還可用于未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)的智能博弈對(duì)抗與決策。

超低延時(shí)動(dòng)態(tài)視覺(jué)識(shí)別類腦芯片的超低功耗、超低延時(shí)、實(shí)時(shí)高速動(dòng)態(tài)視覺(jué)識(shí)別、追蹤技術(shù)及傳感器信息處理技術(shù)，是國(guó)防科技戰(zhàn)略層面的關(guān)鍵技術(shù)，尤其超低延時(shí)實(shí)時(shí)高速動(dòng)態(tài)視覺(jué)識(shí)別技術(shù)，在衛(wèi)星、飛機(jī)等裝備高速動(dòng)態(tài)識(shí)別領(lǐng)域具有極為重要的作用。美國(guó)空軍于2014年授予IBM一份價(jià)值55萬(wàn)美元的合同，利用“真北”芯片幫助衛(wèi)星、高空飛機(jī)和小型無(wú)人機(jī)等更加高效、智能地完成機(jī)器視覺(jué)分析，自動(dòng)識(shí)別坦克或防空系統(tǒng)等車輛，而功耗不到原來(lái)1/5，這對(duì)于太空有限的供能資源非常重要。三星高級(jí)技術(shù)研究院于2016年也利用IBM“真北”芯片，研發(fā)了動(dòng)態(tài)視覺(jué)傳感器，以每秒2000幀的速度識(shí)別圖像，用于3D地圖生成和自動(dòng)駕駛等。

類腦芯片擁有廣闊的應(yīng)用前景

海量數(shù)據(jù)快速處理 類腦芯片促進(jìn)神經(jīng)形態(tài)超級(jí)計(jì)算機(jī)發(fā)展，使其具有極高的計(jì)算速度和海量數(shù)據(jù)處理能力，未來(lái)還能進(jìn)行“認(rèn)知”與“思考”，將改變計(jì)算機(jī)常規(guī)工作模式。美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室于2017年6月利用IBM公司的“真北”類腦芯片開(kāi)始研制類腦超級(jí)計(jì)算機(jī)，并于2018年8月發(fā)布了世界上最大的神經(jīng)形態(tài)超級(jí)計(jì)算機(jī)“藍(lán)鴉”。該計(jì)算機(jī)可以同時(shí)模擬6400萬(wàn)個(gè)生物神經(jīng)元和160億個(gè)生物神經(jīng)突觸，功耗僅為40瓦，是傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)的百分之一。美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃在2019年演示一種利用“藍(lán)鴉”開(kāi)發(fā)的機(jī)載目標(biāo)識(shí)別應(yīng)用程序，2024年將實(shí)現(xiàn)百億億次的類腦認(rèn)知超級(jí)計(jì)算機(jī)，對(duì)10倍于目前全球互聯(lián)網(wǎng)流量的大數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，屆時(shí)將使制約下一代戰(zhàn)機(jī)等先進(jìn)裝備發(fā)展的大數(shù)據(jù)從難題變?yōu)橘Y源，加速創(chuàng)新與發(fā)現(xiàn)，并極大縮短國(guó)防科技與工程的發(fā)展周期。

類腦芯片可用于未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)的智能博弈對(duì)抗與決策

智能博弈對(duì)抗與決策面對(duì)未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)，特別是智能化、無(wú)人化、強(qiáng)博弈對(duì)抗條件下，類腦芯片通過(guò)借鑒大腦的信息處理和信息存儲(chǔ)方式，在智能計(jì)算的算力、能耗與效率等方面具有優(yōu)勢(shì)，有望實(shí)現(xiàn)飛機(jī)/導(dǎo)彈等的博弈對(duì)抗和決策的跨越式發(fā)展，提升未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)軍事對(duì)抗能力。

結(jié) 語(yǔ)

類腦芯片的本質(zhì)是模擬人腦工作原理實(shí)現(xiàn)快速學(xué)習(xí)，解決極其復(fù)雜的計(jì)算問(wèn)題，有望滿足衛(wèi)星、無(wú)人機(jī)、單兵裝備等的低能耗需求，并通過(guò)不斷學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境中高效信息處理。當(dāng)前類腦芯片研究已取得階段性進(jìn)展，建議國(guó)內(nèi)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)：一是大力加強(qiáng)類腦芯片理論建模和功耗降低等關(guān)鍵技術(shù)研究，如研究建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器相關(guān)的功耗模型，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇，降低相對(duì)功耗。二是充分調(diào)動(dòng)認(rèn)知科學(xué)、神經(jīng)以及遺傳科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和社會(huì)學(xué)等各領(lǐng)域?qū)＜?，加?qiáng)學(xué)科交叉，逆向工程推進(jìn)類腦芯片研究取得新突破。三是加強(qiáng)類腦芯片研制用單晶硅、憶阻器等關(guān)鍵材料影響機(jī)制研究。如在人造突觸設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)非晶材料對(duì)電壓模擬神經(jīng)元信息傳輸?shù)挠绊憴C(jī)制研究，以及憶阻器材料對(duì)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)邏輯完備性、計(jì)算復(fù)雜度、級(jí)聯(lián)、可重構(gòu)性的影響機(jī)制研究等。四是促進(jìn)用戶-企業(yè)-高校產(chǎn)學(xué)研用合作，加速類腦計(jì)算技術(shù)向?qū)嶋H應(yīng)用轉(zhuǎn)化。如從應(yīng)用端發(fā)力，突出導(dǎo)向性，倒逼類腦芯片研發(fā);形成用戶-企業(yè)-高校產(chǎn)學(xué)研用合作機(jī)制，暢通類腦芯片研發(fā)應(yīng)用鏈條等。

責(zé)任編輯：張傳良