IBM在4月初于美國加州舉行的年度國際物理設(shè)計研討會(International Symposium on Physical Design 2016，ISPD)公布了其根據(jù)人腦結(jié)構(gòu)所設(shè)計的神經(jīng)型態(tài)混合信號芯片TrueNorth現(xiàn)況，包括其芯片架構(gòu)、評估板數(shù)組、參考設(shè)計系統(tǒng)以及軟件生態(tài)系統(tǒng)。
在ISPD期間，IBM暢談該公司的類人腦計算機計劃，期望該公司將成為家喻戶曉的品牌，支持包括超智能物聯(lián)網(wǎng)(IoT)到超智能車輛、攝影機、無人機、醫(yī)療裝置，以及當(dāng)然還有超智能超級計算機等等應(yīng)用。
IBM的低功耗神經(jīng)型態(tài)電路設(shè)計師(Low-Power Neuromorphic Circuit Designer) Filipp Akopyan 在一篇題為“IBM TrueNorth 設(shè)計與工具流程：一顆內(nèi)含百萬神經(jīng)元的超低功耗可編程神經(jīng)型態(tài)芯片(An Ultra-Low Power Programmable Neurosynaptic Chip with 1-Million Neurons)”中，介紹了該公司的相關(guān)軟硬件與支持生態(tài)系統(tǒng)。
IBM的類人腦芯片架構(gòu)，是透過研究人腦的皮層神經(jīng)元發(fā)展而來（來源：EE Times）
Akopyan 表示，IBM的TrueNorth芯片目標(biāo)是網(wǎng)絡(luò)邊緣(Edge-of-the-Net)以及大數(shù)據(jù)(Big Data)解決方案，支持以超低功耗組件處理大量實時數(shù)據(jù)──該內(nèi)含54億個晶體管的神經(jīng)型態(tài)芯片，耗電量僅700毫瓦(milliWatts)。
“今日我們正用移動終端制造大量數(shù)據(jù)，必須由云端計算機來處理，但TrueNorth 可配置在網(wǎng)絡(luò)邊緣，讓數(shù)據(jù)流饋入并進(jìn)行處理，被傳送到云端的只有重要項目以及摘要；”Akopyan 指出：“但運算資源卻正往錯誤的高功率方向發(fā)展，它們最好要被降低到生物性水平。”
IBM以神經(jīng)型態(tài)核心(neuromorphic core)──也就是一批與樹突(dendrites，輸入端)與軸突(axons，輸出端)連結(jié)的神經(jīng)元──為起點，任何一個神經(jīng)元都能傳送信息──稱為棘波(spike)──到其他任何一個神經(jīng)元做為1或是0 (電壓脈沖或棘波)。
芯片上的神經(jīng)元能傳送/接受來自任何其他芯片神經(jīng)元的訊息──這是更佳的通信方法，因為稀疏的本地通信不只像是大腦里所進(jìn)行的那樣，而且可達(dá)到最低的訊號延遲。任何神經(jīng)元也能傳送訊息到芯片外，甚至電路板外的神經(jīng)元，但延遲會較高。
TrueNorth 芯片規(guī)格（來源：EE Times）
TrueNorth 能實現(xiàn)70毫瓦功耗的關(guān)鍵是采用異步邏輯(asynchronous logic)，整個芯片除非是某特定神經(jīng)元正被開啟應(yīng)用于與其他神經(jīng)元通信期間，其功率消耗為零。在結(jié)構(gòu)上，其內(nèi)含的54億晶體管如果采用同步架構(gòu)，可能 會消耗50~100瓦，但異步架構(gòu)使其功耗降到最低。為了實現(xiàn)在結(jié)構(gòu)上的任何神經(jīng)元相互鏈接，芯片上有一個巨大的縱橫栓開關(guān)(crossbar switch)。
獨特的芯片設(shè)計工具
IBM采用來自眾多EDA供貨商的工具來設(shè)計TrueNorth芯片，包括Cadence、Synopsys以及Spice，但也不得不自己開發(fā)EDA工具來支持部分同步、部分異步架構(gòu)的共同設(shè)計。由IBM自行開發(fā)的工具命名為CoSim，顧名思義，該工具能讓芯片的不同部分，在不同工具上同步進(jìn)行共同模擬。
“我們使用不同的仿真器來設(shè)計TrueNorth芯片的不同部分，”Akopyan表示：“我們的CoSim工具能提供混合式的工具流程，以支持 TrueNorth的客制化共同模擬。”而IBM的開發(fā)成果，是一個由64×64、共4,096個神經(jīng)型態(tài)核心組成的中央數(shù)組，每個核心有256個神經(jīng)元以及64k內(nèi)存突觸；整個芯片有2.56億突觸、54億個晶體管、功耗僅70毫瓦。
此外那些神經(jīng)型態(tài)核心能無限制組合，讓未來的神經(jīng)型態(tài)內(nèi)存能擴展成更大的芯片；目前IBM的TrueNorth芯片采用Samsung的28納米低功耗制程。為向潛在客戶(從物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備制造 商到軍用無人機、超級計算機制造商)展示TrueNorth芯片的功能，IBM打造了單芯片單電路板，也有內(nèi)含16片、48片電路板的機箱，以及內(nèi)含16顆TrueNorth的單片電路板。
未來IBM還計劃打造配備64、256、1,024、4,096顆TrueNorth芯片的電路板，最后一種的功能可達(dá)到人腦能力的1%。IBM并有一個針對TrueNorth的軟件開發(fā)與應(yīng)用城市開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)，更多信息可鏈接TrueNorth的官方網(wǎng)站。
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