IBM在4月初于美國加州舉行的年度國際物理設計研討會(huì )(International Symposium on Physical Design 2016，ISPD)公布了其根據人腦結構所設計的神經(jīng)型態(tài)混合信號芯片TrueNorth現況，包括其芯片架構、評估板數組、參考設計系統以及軟件生態(tài)系統。
在ISPD期間，IBM暢談該公司的類(lèi)人腦計算機計劃，期望該公司將成為家喻戶(hù)曉的品牌，支持包括超智能物聯(lián)網(wǎng)(IoT)到超智能車(chē)輛、攝影機、無(wú)人機、醫療裝置，以及當然還有超智能超級計算機等等應用。
IBM的低功耗神經(jīng)型態(tài)電路設計師(Low-Power Neuromorphic Circuit Designer) Filipp Akopyan 在一篇題為“IBM TrueNorth 設計與工具流程：一顆內含百萬(wàn)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。
IBM的類(lèi)人腦芯片架構，是透過(guò)研究人腦的皮層神經(jīng)元發(fā)展而來(lái)（來(lái)源：EE Times）
Akopyan 表示，IBM的TrueNorth芯片目標是網(wǎng)絡(luò )邊緣(Edge-of-the-Net)以及大數據(Big Data)解決方案，支持以超低功耗組件處理大量實(shí)時(shí)數據──該內含54億個(gè)晶體管的神經(jīng)型態(tài)芯片，耗電量?jì)H700毫瓦(milliWatts)。
“今日我們正用移動(dòng)終端制造大量數據，必須由云端計算機來(lái)處理，但TrueNorth 可配置在網(wǎng)絡(luò )邊緣，讓數據流饋入并進(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(shù)突(dendrites，輸入端)與軸突(axons，輸出端)連結的神經(jīng)元──為起點(diǎn)，任何一個(gè)神經(jīng)元都能傳送信息──稱(chēng)為棘波(spike)──到其他任何一個(gè)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(lái)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(huì )較高。
TrueNorth 芯片規格（來(lái)源：EE Times）
TrueNorth 能實(shí)現70毫瓦功耗的關(guān)鍵是采用異步邏輯(asynchronous logic)，整個(gè)芯片除非是某特定神經(jīng)元正被開(kāi)啟應用于與其他神經(jīng)元通信期間，其功率消耗為零。在結構上，其內含的54億晶體管如果采用同步架構，可能 會(huì )消耗50~100瓦，但異步架構使其功耗降到最低。為了實(shí)現在結構上的任何神經(jīng)元相互鏈接，芯片上有一個(gè)巨大的縱橫栓開(kāi)關(guān)(crossbar switch)。
獨特的芯片設計工具
IBM采用來(lái)自眾多EDA供貨商的工具來(lái)設計TrueNorth芯片，包括Cadence、Synopsys以及Spice，但也不得不自己開(kāi)發(fā)EDA工具來(lái)支持部分同步、部分異步架構的共同設計。由IBM自行開(kāi)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(lái)設計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(kāi)發(fā)成果，是一個(gè)由64×64、共4,096個(gè)神經(jīng)型態(tài)核心組成的中央數組，每個(gè)核心有256個(gè)神經(jīng)元以及64k內存突觸；整個(gè)芯片有2.56億突觸、54億個(gè)晶體管、功耗僅70毫瓦。
此外那些神經(jīng)型態(tài)核心能無(wú)限制組合，讓未來(lái)的神經(jīng)型態(tài)內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(hù)(從物聯(lián)網(wǎng)設備制造 商到軍用無(wú)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，也有內含16片、48片電路板的機箱，以及內含16顆TrueNorth的單片電路板。
未來(lái)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到人腦能力的1%。IBM并有一個(gè)針對TrueNorth的軟件開(kāi)發(fā)與應用城市開(kāi)發(fā)生態(tài)系統，更多信息可鏈接TrueNorth的官方網(wǎng)站。
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