“天機芯”芯片三窺類腦計算“天機”

人類追求類腦智能已經(jīng)長達一個世紀，至今的AI應用所擁有的智能離真正的目標還很遙遠。人類大腦低功耗的信息存儲、處理和傳輸功能燃起全球科學研究在開發(fā)類腦計算芯片上的巨大熱情。類腦計算是借鑒人腦科學的基本原理，面向通用人工智能，基于神經(jīng)形態(tài)工程的新型計算技術。目前，美國、歐盟、日本、中國等國家和地區(qū)都在開展類腦計算的研究，主要在推進的類腦計算芯片有IBM的TrueNorth，Intel的Loihi、BrainScale、SpiNNaker、Neurogrde，清華大學的“天機芯”等。正如清華大學類腦計算研究中心主任施路平教授所言，現(xiàn)在全球類腦計算研究可謂處于“春秋戰(zhàn)國”時期，所選擇的技術路徑有較大不同。

2012年，清華大學就瞄準未來人工智能發(fā)展的前沿，通過人才引進布局類腦計算。2014 年，清華大學依托精密儀器系，聯(lián)合計算機、微電子、電子、自動化、材料、生物醫(yī)學共計7個院系，成立了多學科深度交叉融合的類腦計算研究中心，由清華大學原光盤國家工程研究中心主任施路平，組建了由不同學科領域專家組成的研究團隊，從基礎理論、神經(jīng)形態(tài)器件、類腦芯片、類腦軟件、系統(tǒng)和應用等方面對類腦計算進行全面研究。

2015年，類腦計算研究中心研發(fā)團隊研發(fā)出第一代類腦計算芯片，命名為“Tianjic”（天機芯），芯片的制程約為110納米，有6個功能核，1000多個神經(jīng)元，運行頻率不是太高。主要是進行原理和架構的驗證，算是一個DEMO（小樣）。

2017年，團隊研發(fā)出第二代“天機芯”芯片。第二代“天機芯”芯片具有高速度、高性能、低能耗的特點，制程縮小至28納米，由156個功能核FCore組成，包含約4萬個神經(jīng)元和1000萬個突觸，面積為3.8毫米×3.8毫米，采用了傳統(tǒng)的集成電路工藝。相比當時世界先進的IBM的TrueNorth芯片，其功能更全、靈活性和擴展性更好，密度提升20%，速度提高至少10倍，帶寬提高至少100倍。2019年8月，第二代“天機芯”芯片在世界頂級學術雜志《自然》封面亮相，標題為《雙重控制》（Dual Control），被作為人工通用智能領域的一個重磅應用案例進行展示。

2021年5月底，第三代“天機芯”芯片問世，制程進一步縮小至14納米，包含百萬個神經(jīng)元。與第二代芯片相比，其性能有了大幅度提升，可以更好地應用在自動駕駛和智能機器人等領域。這表明清華大學類腦計算研究走在了世界發(fā)展的前列。

據(jù)清華大學“天機芯”芯片研發(fā)團隊馬騁副教授介紹，“天機芯”芯片為異構融合類腦架構，主要目標是人工通用智能，同時支持機器學習算法和類腦電路，并可支持神經(jīng)科學發(fā)現(xiàn)的眾多神經(jīng)回路網(wǎng)絡和異構網(wǎng)絡的混合建模。而實現(xiàn)上述兩類模型深度高效融合是天機芯片設計中最大的挑戰(zhàn)，因為兩類模型所使用的語言、計算原理、編碼方式和應用場景都不相同。

天機芯芯片可以分別運行兩類比較常見的模型，一類是人工神經(jīng)網(wǎng)絡（ANN），一類是脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡（SNN），來進行建模。這兩類模型的算法技術路線相似，都是由軸突、突觸、樹突、包體等基本模塊組成的。區(qū)別主要在脈沖或者是結果發(fā)放上，脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡是以脈沖發(fā)放進行運算，神經(jīng)網(wǎng)絡是基于黏性進行運算。研發(fā)團隊考慮把兩者有可能共用的模塊作為共享的單元，實際上就是通過一個融合的方式，在一個結構上實現(xiàn)兩類算法的計算。

天機芯芯片的基本運算單位是功能核。功能核的第一部分是軸突，用來實現(xiàn)輸入信息的緩存，同時對延遲的時間進行調(diào)整。第二部分是樹突，是功能模塊的核心運算單元，可以進行所有的基本運算，其組成是層加器的增列。加上該部分還要進行大量緩存，因此，樹突部分占用芯片30%的資源，功耗也是最大的。第三部分是包體，主要是實現(xiàn)神經(jīng)元輸送的信息的相應功能，如ANN的激活函數(shù)、SNN產(chǎn)生的脈沖信息;還有一些與輸出相關的功能，如磁化、片子和泄露等。不同功能核可以實現(xiàn)特定的運算功能，多個功能核集成則可進行大規(guī)模的運算。不同功能核由路由部分進行連接，可以實現(xiàn)點對點的數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)循環(huán)反饋，還可以實現(xiàn)臨近域的突破。由于芯片是異構融合的，因此可以實現(xiàn)ANN和SNN的混合應用。整體構成一個片狀網(wǎng)絡，形成一個完整的芯片。像第二代“天機芯”芯片就由156個功能核組成，構成一個12×13的布局。一個天機芯芯片加一個控制器構成一個單芯片類腦計算系統(tǒng)。單芯片資源比較少，正常應用會由單芯片組成陣列，構成一個類腦計算單元。

具體的天機系統(tǒng)也是一個異構的系統(tǒng)，是由類腦處理器和傳統(tǒng)的馮·伊曼架構共同構成的。所以，其既可以處理傳統(tǒng)的計算機領域的問題，也可以處理傳統(tǒng)計算機處理不了的一些更為復雜的問題?？梢哉f，其應用前景非常廣闊。