看點：模仿低功耗、高運算力人腦的類腦芯片，能給機器帶來人類智能嗎？

導語：最近半年以來，人工智能的發(fā)展重心逐漸從云端向終端轉移，相伴而生的是全新一代的計算芯片產業(yè)全面崛起。智東西歷經數月，首次對包括AI芯片在內的新一代計算芯片全產業(yè)鏈上下近百間核心企業(yè)進行報道，覆蓋國內外各大巨頭玩家、新興創(chuàng)企、場景應用、代工生產等，全面深入地對芯片產業(yè)發(fā)展、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)進行了追蹤報道。此為智東西新一代計算芯片產業(yè)系列報道之一。

國內外有許多公司和機構正在類腦芯片研發(fā)上投入大量精力，美國在此項研究上開始較早，2014年IBM就推出了業(yè)內首款類腦芯片TrueNorth。國內最近幾年在芯片研發(fā)上也不甘示弱，也有西井科技這樣的初創(chuàng)公司投身到類腦芯片的研發(fā)中來，清華等知名高校也紛紛建立類腦研究中心。

相比于傳統(tǒng)芯片，類腦芯片的確在功耗上具有絕對優(yōu)勢，拿英特爾在本次CES上展出的自我學習芯片Loihi來說，不僅其學習效率比其他智能芯片高100萬倍，而且在完成同一個任務所消耗的能源比傳統(tǒng)芯片節(jié)省近1000倍。類腦芯片的集成度也非常高，拿浙大推出的“達爾文”芯片來說，其面積為25平方毫米，也就是說邊長只有0.5厘米，但內部卻能包含500萬個晶體管。隨著行業(yè)對計算力要求越來越高，馮氏瓶頸將越來越明顯，顛覆傳統(tǒng)架構的類腦芯片已為芯片行業(yè)開啟了一扇新的大門。

傳統(tǒng)芯片遇馮·諾依曼瓶頸 模擬神經元成新思路

人腦神經元在接受到刺激后，其細胞膜內外帶電離子分布將發(fā)生變化，因而形成電位差，電位差將沿著神經細胞軸突、樹突雙向傳導，形成脈沖電流。而當該電信號傳遞到突觸時，突觸前神經元將釋放神經遞質（如多巴胺、腎上腺素）由突觸后神經元接受神經遞質產生興奮（該過程單向傳遞），并向下傳遞作用與人體反應器并發(fā)生反應。

2011年8月，IBM率先在類腦芯片上取得進展，他們在模擬人腦大腦結構基礎上，研發(fā)出兩個具有感知、認知功能的硅芯片原型。但因技術上的限制，IBM戲稱第一代TrueNorth為“蟲腦”。2014年TrueNorth第二代誕生，它使用了三星的28nm的工藝，共用了54億個晶體管，其性能相比于第一代有了不少提升。功耗每平方厘米消耗僅為 20 毫瓦，是第一代的百分之一，直徑僅有幾厘米，是第一代的十五分之一。

▲IBM Truenorth芯片

每個核都簡化模仿了人類大腦神經結構，包含256個“神經元”（處理器）、256個“軸突”（存儲器）和64000個突觸（神經元和軸突之間的通信）?？傮w來看，TrueNorth芯片由4096個內核，100萬個“神經元”、2.56億個“突觸”集成。此外，不同芯片還可以通過陣列的方式互聯。

IBM稱如果 48顆TrueNorth芯片組建起具有4800萬個神經元的網絡，那這48顆芯片帶來的智力水平將相似于普通老鼠。

從2014年亮相后，這款芯片一直沒有大的動作。不久前，TrueNorth終于傳出了新進展，有報道稱IBM公司即將開發(fā)由64個“TrueNorth”類腦芯片驅動的新型超級計算機。這一計算機能進行大型深度神經網絡的實時分析，可用于高速空中真假目標的區(qū)分，并且功耗比傳統(tǒng)的計算機芯片降低4個數量級。如果該系統(tǒng)功耗可以達到人腦級別，那么理論上就可以在64顆芯片原型基礎上進一步擴展，從而能夠同時處理任何數量的實時識別任務。

2、英特爾Loihi芯片

▲英特爾神經擬態(tài)芯片Loihi

國內也開始了類腦芯片的研究，除清華等知名高校開設研究院外，也出現了專注類腦芯片研發(fā)的創(chuàng)企，代表企業(yè)如上海的西井科技。

4、西井科技DeepSouth芯片

西井科技是國內研究類腦強人工智能的公司，目前西井已推出了自主研發(fā)的擁有100億規(guī)模的神經元人腦仿真模擬器（Westwell Brain）和可商用化的5000 萬類腦神經元芯片（DeepSouth）兩款產品。 DeepSouth 是一款可商用化的芯片，它能模擬出高達 5000 萬級別的“神經元”，總計有 50 多億“神經突觸”。據西井CEO譚黎敏稱，該芯片除了具備“自我學習、自我實時提高”的能力外，還可以直接在芯片上完成計算，不需要通過網絡連接后臺服務器，可在“無網絡”情況下使用。

能耗方面，DeepSouth 在同一任務下的功耗僅為傳統(tǒng)芯片的幾十分之一到幾百分之一。

5、浙大“達爾文”類腦芯片

▲浙大和杭州電子科技共同研發(fā)的“達爾文”芯片

2015年一群來自浙江大學與杭州電子科技大學的年輕的研究者們研發(fā)出一款成為達爾文的類腦芯片。這款芯片是國內首款基于硅材料的脈沖神經網絡類腦芯片?！斑_爾文”芯片面積為25平方毫米，比1元硬幣還要小，內含500萬個晶體管。芯片上集成了2048個硅材質的仿生神經元，可支持超過400萬個神經突觸和15個不同的突觸延遲。

據研發(fā)團隊介紹說，這款芯片可從外界接受并累計刺激，產生脈沖（電信號）進行信息的處理和傳遞，這如我們前面提到的人類神經元間的信息傳遞一樣。研發(fā)人員還為“達爾文”開發(fā)了兩款簡單的智能應用。一是這款芯片可識別不同人手寫的1-10這10個數字，二是“達爾文”在接受了人類腦電腦后，可控制電腦屏幕上籃球的移動方向。在熟悉并學習了操作者的腦電波后，“達爾文”會在后續(xù)接受相同刺激時做出同樣反映。

人腦的這三大特性始終是計算機無法比擬的：一是低能耗，人腦的功率大約為20瓦，而目前計算機功耗需要幾百萬瓦；二是容錯性，人腦時刻都在失去神經元，而計算機失去一個晶體管就會破壞整個處理器；三是無需編程，大腦在于外界交互過程中自發(fā)學習和改變，并非遵循預先設計好的算法。

中國也十分重視類腦研究，并將類腦計算作為國家戰(zhàn)略發(fā)展的制高點。中國不僅在2015年將腦計劃作為重大科技項目列入國家“十三五”規(guī)劃，還發(fā)布了關于腦計劃“一體兩翼”的總體戰(zhàn)略：一體即認識腦：以闡釋人類認知的神經基礎為主體和核心；兩翼即保護腦：預防、診斷和治療腦重大疾病和模擬腦：類腦計算。

中國的學術界也展開了對類腦的研究，2015 年中科院、清華、北大，相繼成立“腦科學與類腦智能研究中心”，2017年5月在合肥成立了類腦智能技術及應用國家工程實驗室。這些實驗室將借鑒人腦機制攻關人工智能技術，推進類腦神經芯片、類腦智能機器人等新興產業(yè)發(fā)展。

結語：類腦芯片或將賦予機器智能

目前，搭載神經網絡引擎的芯片層出不窮，芯片巨頭和初創(chuàng)們都在原有的馮諾依曼架構上爭相利用神經網絡優(yōu)化芯片計算力。從目前這類AI芯片的表現上看，FPGA的靈活性較好但開發(fā)難度大，ASIC因其功耗低、開發(fā)難度適中將在終端AI芯片上具有較大優(yōu)勢。