IBM研发出模拟人脑芯片

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美国国际商用机器公司（IBM）近日宣布，模仿人脑结构和信息处理方式研制出新一代计算机芯片“真北”。

据介绍，“真北”包含54亿个晶体管，按此衡量是IBM制造的最大芯片。根据人脑神经系统中神经元和神经突触的结构，“真北”模拟了100万个神经元和2.56亿个神经突触，具有4096个处理核。这些处理核相互连接，形成一个网状结构。

与传统芯片总是在运行不同，“真北”只在需要时运行，使所消耗能量和运行环境温度大为降低。它运行期间功率仅为70毫瓦，其运算能力可折合为每瓦功率下每秒460亿次。“真北”项目主要研究人员达门德拉·莫达说，“真北”的架构类似人脑，具有并行、分布式、模块化、可扩展、容忍失误、灵活等特点，集运算、通信、存储功能于一体。

IBM表示，“真北”有可能激发一些类似人脑功能的应用创新，目前这类应用还受制于计算机硬件性能，而“真北”可能给包括云服务、智能手机、机器人[0.82%资金研报]、物联网、超级计算机等在内的多个领域带来革命。

据美国媒体报道，“真北”项目属于IBM一个更大的研究计划，而这个计划受到了美国国防部高级研究项目局资助，旨在模拟生物神经系统开发高性能低能耗的芯片，用于军用无人机和神经科学实验等领域。（马丹）

IBM科学家日前发布首款前所未有的超大规模神经突触计算机芯片，其中含有100万个可编程神经元、2.56亿个可编程突触，每消耗一焦耳的能量，可进行460亿突触运算。这款由54亿支晶体管组成的功能齐全、可大规模生产的芯片是迄今建造的最大的CMOS芯片之一。并且在进行生物实时运算时，这款芯片的功耗低至70毫瓦（mW），比现代微处理器功耗低数个数量级。神经突触超级计算机芯片如同一枚邮票大小，其工作电源相当于助听器电池，这种支持视觉、听觉和多感官应用的技术将给科技、商务和社会带来全新的变化。

该突破性技术成果已于近日与康奈尔理工学院(CornellTech)合作发表在《科学》（Science）杂志上，这意味着向社会步入认知计算机时代迈出了重要一步。

与当前计算机相比，人类大脑的认知能力和超低功耗间存在巨大差距。为了消除鸿沟，IBM科学家们创造了前所未有的技术——一个全新的、神经科学启发的、可扩展的、高效的计算机架构，这种架构一举打破了自1946年以来普遍盛行的冯·诺依曼(vonNeumann)计算机架构。该第二代芯片是近十年来研发取得的最高成果，它包括2011年最初的单核硬件原型，以及2013年采用最新编程语言及芯片模拟器的软件生态系统。

新型认知芯片架构由4,096个数字化的分布式神经突触核心组成片上二维网状网络，其中每个核心模块以事件驱动、并行、及容错机制将内存、计算和通信集成在一起。为使系统不受单芯片局限，该新型认知芯片在两块相邻平铺时，可实现无缝拼接，这为日后构建神经突触超级计算机奠定了基础。为证明其可扩展性，IBM还展示了一款16芯片系统，该系统含有1,600万可编程神经元和40亿可编程突触。

“IBM以全新架构、空前规模、无与伦比的功耗/面积/速度比、无限的扩展能力及创新设计技术，在基于人脑启发的计算机领域取得重大突破。我们可以预见新一代的信息技术系统，这种系统与当今的冯·诺依曼机器相辅相成，不断发展的系统、软件和服务生态系统将为其提供支持。”IBM研究院院士，大脑仿生计算首席科学家DharmendraS.Modha博士说，“这些基于人脑启发的芯片可通过掌上设备的感应与智能化的应用，改变移动市场，而且它们不需要WiFi。这个成果凸显了IBM通过长期投资有机创新，在实现计算转型的历史关键时刻的领导地位。”

构建芯片

这款芯片采用了三星28纳米的工艺技术，具有密集的片上存储器和低泄漏晶体管。

三星电子晶圆代工市场营销副总裁ShawnHan指出：“利用传统商用低功耗移动设备工艺技术进行芯片生产，令人叹为观止，这种芯片能以极低电耗模仿人类大脑处理海量的感官信息。这在系统架构方面是一项重大突破，对于业界下一代云计算和大数据处理的发展至关重要。利用三星28纳米技术推动下一代技术进程让人倍感欣慰。"

芯片的事件驱动电路元件采用的是由康奈尔理工学院开发，及2008年以来由IBM重新优化的异步设计方法。

“与IBM合作多年后，现在我们向构建仿人脑计算机又迈进了一步。“康奈尔理工学院RajitManohar教授说。

先进的工艺技术、异步-同步混合的设计方法及新型架构的结合使功率密度达到20mW/cm2，这几乎比当前的微处理器低了近四个数量级。

推进SyNAPSE生态系统

这款新型芯片是一个完整的端到端垂直整合生态系统的组件，涵盖芯片模拟器、神经科学数据、超级计算、神经元技术规格、编程规范、算法和应用程序以及原型设计模型。该生态系统全面支持从设计到开发、调试及部署的整个编程周期。

为将这种完全与众不同的技术功能推向社会，IBM为高校、客户、合作伙伴和IBM员工设计了新颖的教学课程。

应用和愿景

该生态系统标志着一切正在转变：计算正越来越依靠数据、引入大量不同类型的感官数据、应用上下文相关方法分析并整合实时信息、处理复杂现实环境中出现的异常情况。

展望未来，IBM将在功耗、体积和速度受限的移动设备中集成多感官神经突触处理功能；在芯片上整合新型事件驱动型传感器；利用神经突触系统加快实时多媒体云服务；在基板上平铺多块芯片构建神经突触超级计算机，最终创建出神经突触多达100万亿以上的系统。

在之前论证的片上神经突触核心在线学习的基础上，IBM计划建立一种能够适应现实环境条件的学习系统。虽然目前硬件采用的是现代CMOS工艺生产，但其基础架构将利用未来内存、3D集成、逻辑和传感器技术的优势，进一步降低功耗、提高封装密度、并加快运行速度。

　　近日，在《科学》杂志上了解获悉，IBM研究人员已开发出一款芯片，相对于以往产品能更好地模拟人脑。文章谈到，IBM利用传统的硅芯片制造工艺开发了一款“神经突触计算机芯片”，能像传统的一样处理高度复杂的计算任务，神经突触超级计算机芯片如同一枚邮票大小，其工作电源相当于助听器电池。

　　资料中了解，这款芯片由54亿个晶体管组成，比英特尔至强处理器中使用的晶体管数量多10亿个。设计了由4096个神经突触核心构成的网状网络，并且在进行生物实时运算时，这款芯片的功耗低至70毫瓦（mW），比现代微处理器功耗低数个数量级。这种支持视觉、听觉和多感官应用的技术将给科技、商务和社会带来全新的变化。每个核心都包含可以并行运行计算、存储，以及与芯片其他部分通信的元件的能力。

　　IBM表示，多个此类芯片可以无缝地互联，从而形成神经突触超级计算机。IBM已经使用了16块芯片开发了一台这种超级计算机。名为TrueNorth的芯片依靠神经网络，能像人脑一样去探测并识别模式。另外，这款芯片集成了100万个神经元，而人脑平均包含1000亿个神经元。但随着时间推移，这一技术可被用于开发具有理解能力的计算机。

据悉，这款芯片每秒每瓦可实现460亿次神经突触操作，衡量传统芯片性能的一个主要指标为每秒浮点运算次数。目前，最节能的超级计算机能实现45亿次的每秒浮点运算次数。IBM将在功耗、体积和速度受限的移动设备中集成多感官神经突触处理功能；在基板上平铺多块芯片构建神经突触超级计算机，最终创建出神经突触多达100万亿以上的系统。

　　IBM研究人员表示，类似TrueNorth的芯片将可以与传统系统配合使用，也能匹敌当前的超级计算机，被用于与智能手机类似大小的设备，同时有着更低的能耗。该项目获得了美国国防部研发部门DARPA的资助。

这款新型芯片是一个完整的端到端垂直整合生态系统的组件，涵盖芯片模拟器、神经科学数据、超级计算、神经元技术规格、编程规范、算法和应用程序以及原型设计模型。该生态系统全面支持从设计到开发、调试及部署的整个编程周期。