类脑芯片带来的音讯行业新机会,中青物工学家

2019-08-03 04:50栏目:奥门新萄京娱乐场
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原标题:光子芯片横空出世,28 岁 MIT 中国青年科学家能否改写摩尔定律?| “Meet 35” 早鸟票开启!

随着世界数据量不断增加,目前摩尔定律下的处理器集成器件数量越发接近极限,当下急需通过架构的变化以应对大数据的需求。人工智能芯片也在此背景下崛起,目前已为大众所熟知的主流AI芯片架构包括:GPU,FPGA,ASIC,而类脑芯片由于其极强的学习能力也被抱以极高的期待。本文将就类脑芯片介绍其发展情况。

写作跨界,读作赋能,人类自历史发展以来就没有离开过跨界二字。1776 年,詹姆斯·瓦特发明了蒸汽机,利用煤作为燃料,可以提供不受环境影响的高效动力。时间到了1814 年,乔治·史蒂芬森将蒸汽机与载具进行了跨界融合,才有了轰动一时的发明,蒸汽机车。

类脑芯片的由来

历史上这样的例子数不胜数,最重要的是,每当有这样一种通过赋能带来巨大收益提升的作品出现时,时代就会发生变革。1870 年,齐纳布·格拉姆发明了电动机, 1881 年人们把电动机附能在了生产上,于是便拉开了工业时代的序幕。

目前,传统的计算芯片主要基于冯•诺依曼结构。在这种结构中,计算模块和存储模块是分开的。CPU在执行命令时需要先从存储单位读取数据,这就产生延时及大量的功耗浪费。因此需要更为扁平化的结构能够更快,更低功耗的处理问题。而人脑的神经结构由于其强大的处理能力,动态可塑的性质,较低的能量消耗便成为了模拟对象,类脑芯片就此诞生。

在这个万物飞速发展的年代,大家都在强调人才难求,但其实只是缺乏一个合适的机会。学者们平时总会分散在各大研究室里,很少接触媒体的他们,外人也总是认为他们很高冷。

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那就让我们打破隔阂,来一场相遇“普罗米休斯”们的盛会!

类脑芯片结构非常独特,可以仿照人类大脑的信息处理方式进行感知、思考、产生行为。人脑中的突触是神经元之间的连接,具有可塑性,能够随所传递的神经元信号强弱和极性调整传递效率,并在信号消失后保持传递效率。而模仿此类运作模式的类脑芯片便可实现数据并行传送,分布式处理,并能够以低功耗实时处理海量数据。

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目前几乎所有的人工智能系统都需要进行人工建模,转化为计算问题进行处理再进行深度学习,而人脑却可以自动感知,进行问题分析和求解,决策控制等。因此类脑芯片也有望形成有自主认知的水平,可自动形式化建模。

届时,Lightelligence 创始人兼 CEO 沈亦晨将受邀出席。

类脑芯片的产业化

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追溯类脑芯片的真正落地,还要从TrueNorth说起。TrueNorth 是 IBM 潜心研发近 10 年的类脑芯片。美国 DARPA 计划从 2008 年起就开始资助 IBM 公司研制面向智能处理的脉冲神经网络芯片。

从 2006 年开始,英特尔推出首款标准 CMOS 工艺的电子混合硅激光器,电和光这两个截然不同的物理现象终于成功被凑在一起。2015 年,IBM 研究人员,发表了针对光子计算的新实验性技术,成功把硅光子数组集成到与 CPU 相同的封装尺寸中。

2011年8月,IBM公司通过模拟大脑结构,首次研制出两个具有感知认知能力的硅芯片原型,可以像大脑一样具有学习和处理信息的能力。这两颗类脑芯片原型均采用45纳米绝缘体上硅CMOS工艺制作,包含256个神经元和256个轴突。其中一个芯片包含65356个学习突触,它能够发现新的神经元连接路径,可通过经验进行学习,并根据响应对神经元连接路径进行重组;而另一个芯片包含262144个可编程突触,可以根据预先设定,通过强化或弱化神经元之间的连接,更迅速、更高效地处理信息。类脑芯片的每个神经元都是交叉连接,具有大规模并行能力。但因技术上的限制,被IBM戏称为“虫脑”。

不过,真正把“光子”带往计算领域,甚至架构成“光子芯片”的概念,却是近两年才逐渐被发掘出来。

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2017年,英国牛津大学研究人员使用了特殊的相变材料与集成光路,模拟人脑的神经突触作用,设计“光子突触”,其理论运行速度是人脑的千倍。

2014年8月,IBM公司推出名为“TrueNorth”的第二代类脑芯片。它使用了三星的28nm的工艺,包括54亿个晶体管和4096个处理核,相当于100万个可编程神经元,以及2.56亿个可编程突触。其性能相比于第一代有了不少提升。功耗每平方厘米消耗仅为 20 毫瓦,是第一代的百分之一,直径仅有几厘米,是第一代的十五分之一。

而麻省理工学院的研究团队与合作研究者则是在更早的2016年便提出类似的发现,他们发明使用光子代替电子为理论基础的计算芯片架构,通过光和透镜的交互作用过程本身就是傅立叶变换这种复杂计算的原理,使用多光束干涉技术,完成所需要的计算结果。

“TrueNorth”的每个处理核包含了约120万个晶体管,其中少量晶体管负责数据处理和调度,而大多数晶体管都用作数据存储、以及与其它核心的通信方面。此外,每个核心都有自己的本地内存,它们还能通过一种特殊的通信模式与其它核心快速沟通,其工作方式非常类似于人脑神经元与突触之间的协同,只不过,化学信号在这里变成了电流脉冲。IBM把这种结构称为“神经突触内核架构”,如果 48 颗TrueNorth芯片组建起具有 4800 万个神经元的网络,那这48颗芯片带来的智力水平将相似于普通老鼠。

而这种芯片架构就被该研究团队称为可编程设计纳米光子处理器

16年,IBM又公布了与美国空军研究实验室、美国陆军研究实验室、以及劳伦斯•利物莫国家实验室在TrueNorth芯片应用方面合作的最新成果,包括手指识别、情绪识别、图像分类和对象追踪等。

2017 年 6 月,麻省理工学院研究团队针对可编程设计纳米光子处理器提出了一份论文,并且发表在《自然-光子》杂志上。该论文的第一作者及通讯作者便是出生在杭州的沈亦晨,并且他是《麻省理工科技评论》所评选出来的 2017年 35 名 35 岁以下中国科技创新青年之一。

2017年,英特尔发布了Loihi芯片,它采用了一种新颖的方式通过异步脉冲来计算,同时整合了计算和存储,模仿了大脑根据环境的各种反馈来学习如何操作的运作方式,可以利用数据来学习并做出推断,随着时间的推移也会变得更加的智能,并且不需要以传统方式来进行训练。

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