解析IBM类人脑芯片：处理器整合54亿个晶体管
发布时间：2014-8-12 11:14
发布者：wp1981
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至今全世界最像人脑的计算机芯片一直由IBM所主导开发，该公司在Cornell Tech与iniLabs, Ltd等公司的携手合作下，为美国国防部先进研究计划署(DARPA)的神经形态自适应塑料可微缩电子(SyNAPSE)系统计划打造先进的“类人脑芯片”。 “当我们在六年前启动SyNAPSE 计划时，很多人认为不可能实现，”IBM院士兼IBM Research脑启发运算研究中心首席科学家Dharmendra Modha表示，“但是现在我们已经证明它是可能的，而且我们正致力于使其于未来实现商业化。” IBM的SyNAPSE芯片拥有1百万个人工神经元(类脑细胞)和2.56亿个突触(储存单元)，以及4,096个称为“神经突触”(neurosynaptic)的处理核心执行作业，并整合内存、运算、通讯，以及以一种异步事件驱动、平行与容错的方式作业。 
IBM的neurosynaptic处理器在单一芯片上整合了1百万个神经元以及2.56亿个突触。（来源：IBM） “这款处理器整合了54亿个晶体管，可说是IBM有史以来最大的芯片，而且，据我们所知是至今全世界最大型的芯片，但功耗仅70mW，”Modha说。 为了衡量这一庞大的芯片的性能，IBM发明了一种新的度量标准——每秒突触运算(synaptic operations per second；SOPS)，以取代每秒浮点运算(FLOPS)性能。 “该芯片可提供每瓦460亿的SOPS，这款相当于一张邮票大小的超级计算机重量却轻如羽毛，所需的电源也仅约一款助听器的用量，”Modha说，“它可作为监控传感器、行动装置、执行云端服务以及超级运算的理想应用。” 该架构每平方公分消耗20mW功耗，比当今微处理器所需的功率更低5,000倍以上。该芯片架构基于先前在每个neurosynaptic核心中内含256个神经元的上一代芯片。而在这款第二代芯片中，IBM不仅为其缩减了15倍的芯片面积、功耗降低100倍，同时还为每个芯片增加至4096个核心。 该核心由芯片上互联网以及相邻芯片间直接链接的方式进行连结。各芯片之间无缝地彼此连接，以期形成未来neurosynaptic超级计算机的基础。此外，为了证明其可扩展性，IBM并展示了一款16芯片的系统，可将芯片架构扩展至1,600万个可编程的神经元以及40亿个可编程的突触，其终极目标在于达到人脑神经系统所需的100兆或更多个突触。 “我们认为，这款芯片为这款具有全新架构、无与伦比的规模、速度、功效和可扩展性的neurosynaptic计算机，建立了一个全新的里程碑，”Modha说。 
该芯片(左)布局是由64x64个神经突触核心数组组成，每个核心(右)内含256颗神经元以及65,536个突触，以实现密集运算、储存与通讯。（来源：IBM） IBM表示，经由整合处理、储存与通讯，目前已能消除令人生畏的von Neumann瓶颈––迫使传统微处理器求助于多层次功耗快取。而且，由于所有的核心以平行方式执行，不必再以GHz级的功耗操作。事实上，1kHz芯片频率可用于离散神经元动态。而通过在整个芯片上平均分散核心，使该架构具备容错能力；任何核心错误都不至于影响运算结果。 
为了展示芯片至芯片的无缝通讯能力，IBM构建出一款16芯片以单一网络测试的电路板。（来源：IBM） 该芯片采用三星(Samsung)的28nm制程制造，以实现高密度的芯片内存与低泄漏晶体管性能。Modha表示该芯片第一次上电就能完美的运作。 Modha的公司目前正忙于开发一款新的仿真器、新的编程语言、新的编程环境、新的工具库、新的算法以及新的教学课程，旨在创造一个全球化的应用生态系统。透过将操作数件移动至更接近传感器以及整合不同类型的传感器，研究人员们希望能够打造出具有更佳配备的neurosynaptic计算机，以便有效处理实时数据串流的多种意义。 “我们开始与大学以及业界合作伙伴共同讨论各种相关应用，例如在相机上内部对象辨识功能，或利用多传感器融合来实现听觉处理，”Modha说，“而在汽车和医疗设备中，可以采用收集的方式来处理数据，或者是能完全意识环境变化的智能手机等应用。” 
该芯片的低功耗与感测处理性能使其相当适于医疗、机器人、感测以及个人导航等多元化的应用。（来源：IBM） IBM并致力于研究芯片可适应现实世界变化的学习能力。该公司计划利用在内存密度方面的CMOS进展、3D整合以及新的传感器技术，以实现更低功耗、更紧密的封装以及更快的速度。 这项研究计划经费约5,300万美元，分为四个阶段进行，并由DARPA提供赞助。该计划还将探索可在未来五年内实现商用化的可能性。 |
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