浙大重磅發(fā)布億級(jí)神經(jīng)元類腦計(jì)算機(jī)：基于 792 顆自研「達(dá)爾文 2 代」芯片，可“意念”打字

本文作者：付靜

2020-09-02 18:01

導(dǎo)語：當(dāng)前，類腦計(jì)算研究開始從探索轉(zhuǎn)向突破。

類腦計(jì)算機(jī)將成為未來計(jì)算的主要形態(tài)和重要平臺(tái)。

2020 年 9 月 1 日，我國首臺(tái)基于自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)類腦芯片的類腦計(jì)算機(jī)重磅發(fā)布。

據(jù)悉，作為當(dāng)前全球范圍內(nèi)神經(jīng)元規(guī)模最大的類腦計(jì)算機(jī)，這臺(tái)由浙江大學(xué)、之江實(shí)驗(yàn)室共同研制的類腦計(jì)算機(jī)含 792 顆「達(dá)爾文 2 代」類腦芯片、1.2 億脈沖神經(jīng)元和近千億的神經(jīng)突觸，堪比小鼠大腦神經(jīng)元的規(guī)模，典型運(yùn)行功耗僅 350-500 瓦。

我國首臺(tái)基于自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)類腦芯片的類腦計(jì)算機(jī)

據(jù)浙江大學(xué)介紹，該類腦計(jì)算機(jī)是由 3 個(gè)高 1.6 米的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜組成。

浙大重磅發(fā)布億級(jí)神經(jīng)元類腦計(jì)算機(jī)：基于 792 顆自研「達(dá)爾文 2 代」芯片，可“意念”打字

在此之中，包含著 792 顆浙江大學(xué)研制的「達(dá)爾文 2 代」類腦芯片。

實(shí)際上，脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)類腦芯片「達(dá)爾文 2 代」于 2019 年 8 月發(fā)布。

「達(dá)爾文 2 代」支持的神經(jīng)元數(shù)量達(dá) 15 萬個(gè)，相當(dāng)于果蠅的神經(jīng)元數(shù)目，是目前我國單芯片神經(jīng)元規(guī)模最大的脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)類腦芯片。

據(jù)浙江大學(xué)介紹：

「達(dá)爾文 2 代」采用 55nm 標(biāo)準(zhǔn) CMOS 工藝，單芯片由 576 個(gè)內(nèi)核組成，每個(gè)內(nèi)核支持 256 個(gè)神經(jīng)元，神經(jīng)突觸超過 1 千萬，通過系統(tǒng)級(jí)擴(kuò)展，可構(gòu)建千萬級(jí)神經(jīng)元類腦計(jì)算系統(tǒng)。

浙大重磅發(fā)布億級(jí)神經(jīng)元類腦計(jì)算機(jī)：基于 792 顆自研「達(dá)爾文 2 代」芯片，可“意念”打字

雷鋒網(wǎng)注意到，「達(dá)爾文 2 代」的研發(fā)工作由浙江大學(xué)牽頭，杭州電子科技大學(xué)與華為中央研究院分別參與了芯片研制與算法和應(yīng)用場(chǎng)景研究。

而在此之前，上一代「達(dá)爾文」類腦芯片是浙江大學(xué)與杭州電子科技大學(xué)于 2015 年 12 月聯(lián)合宣布的。

「達(dá)爾文」是國內(nèi)首款基于硅材料（CMOS）、支持脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的類腦芯片。1 厘米見方的「達(dá)爾文 1 代」內(nèi)含 500 萬個(gè)晶體管，可模擬生物體的 2048 個(gè)神經(jīng)元，最多有 400 萬個(gè)神經(jīng)突觸連接及 15 個(gè)不同的突觸延遲。

浙大重磅發(fā)布億級(jí)神經(jīng)元類腦計(jì)算機(jī)：基于 792 顆自研「達(dá)爾文 2 代」芯片，可“意念”打字

當(dāng)時(shí)，浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院顧宗華副教授表示：

一方面，達(dá)爾文可作為脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與算法高效的硬件運(yùn)行載體，幫助建立特定功能的類腦智能系統(tǒng)；另一方面，達(dá)爾文有助于解碼生物腦電信號(hào)，并與生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)接構(gòu)建腦機(jī)融合系統(tǒng)。

除芯片外，研究人員還研制了「達(dá)爾文類腦操作系統(tǒng)」（DarwinOS）。

據(jù)介紹，這一操作系統(tǒng)：

面向馮·諾依曼架構(gòu)與神經(jīng)擬態(tài)架構(gòu)的混合計(jì)算架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)異構(gòu)計(jì)算資源的統(tǒng)一調(diào)度和管理，為大規(guī)模脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算任務(wù)提供運(yùn)行和服務(wù)平臺(tái)。

就應(yīng)用而言，該類腦計(jì)算機(jī)已助力實(shí)現(xiàn)了：

抗洪搶險(xiǎn)場(chǎng)景下多個(gè)機(jī)器人的協(xié)同工作；
丘腦外側(cè)膝狀核的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建立；
學(xué)習(xí)-記憶融合模型的建立；
腦電信號(hào)的穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位實(shí)時(shí)解碼（比如可“意念”打字）。

浙大重磅發(fā)布億級(jí)神經(jīng)元類腦計(jì)算機(jī)：基于 792 顆自研「達(dá)爾文 2 代」芯片，可“意念”打字

下一代人工智能的重要方向

說起類腦計(jì)算機(jī)，自然繞不開「類腦計(jì)算」。

根據(jù)字面意思不難看出，類腦計(jì)算是一種借鑒人腦發(fā)展的計(jì)算技術(shù)，本質(zhì)上是利用神經(jīng)計(jì)算模擬我們大腦處理信息的過程。

類腦計(jì)算被稱為“下一代人工智能的重要方向”，主要原因在于計(jì)算機(jī)技術(shù)正面臨著的兩方面問題，一是摩爾定律失效，二是「馮諾依曼架構(gòu)」讀取、存儲(chǔ)、處理數(shù)據(jù)能效低下。計(jì)算機(jī)性能要想進(jìn)一步提升，需要考慮新的架構(gòu)。

面對(duì)這一瓶頸，研究人員將目光投向了人類大腦。雷鋒網(wǎng)此前曾報(bào)道：

在進(jìn)行學(xué)習(xí)、認(rèn)知等復(fù)雜計(jì)算時(shí)，人腦功耗僅 20 瓦；大腦會(huì)重復(fù)利用神經(jīng)元，并突觸、異步、并行、分布式、緩慢、不具通用性地處理問題，是可重構(gòu)的、專門的、容錯(cuò)的生物基質(zhì)，并且人腦記憶數(shù)據(jù)與進(jìn)行計(jì)算的邊界是模糊的。

因此，最終旨在實(shí)現(xiàn)強(qiáng)人工智能和通用智能的類腦計(jì)算應(yīng)運(yùn)而生。其技術(shù)體系主要分為：

基礎(chǔ)理論：基于腦認(rèn)知與神經(jīng)計(jì)算，主要從生物醫(yī)學(xué)角度進(jìn)行大腦信息處理機(jī)制研究；
硬件：主要是類腦神經(jīng)形態(tài)芯片，如脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片、憶阻器、憶容器、憶感器等；
軟件：包含核心算法（脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、增強(qiáng)學(xué)習(xí)、對(duì)抗神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等）和通用技術(shù)（視覺感知、聽覺感知、多模態(tài)融合感知、自然語言理解、推理決策等）；
產(chǎn)品：主要有交互產(chǎn)品和整機(jī)產(chǎn)品，我們常聽說的腦機(jī)接口、智能假體、腦控設(shè)備、類腦計(jì)算機(jī)、類腦機(jī)器人均屬此類別。

類腦計(jì)算研究從探索轉(zhuǎn)向突破

近年來，各國就類腦計(jì)算紛紛制定了發(fā)展計(jì)劃。

2013 年 4 月，時(shí)任美國總統(tǒng)奧巴馬宣布啟動(dòng)了名為「通過推動(dòng)創(chuàng)新型神經(jīng)技術(shù)開展大腦研究（Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies）」的科研計(jì)劃。

浙大重磅發(fā)布億級(jí)神經(jīng)元類腦計(jì)算機(jī)：基于 792 顆自研「達(dá)爾文 2 代」芯片，可“意念”打字

這項(xiàng) BRAIN Initiative 最重要的一個(gè)任務(wù)便是繪制包括近 1000 億個(gè)神經(jīng)元、100 萬億個(gè)突觸的人腦活動(dòng)圖譜（Brain Activity Map，BAM）。其參與者眾多，不乏聯(lián)邦政府機(jī)構(gòu)、企業(yè)負(fù)責(zé)人、慈善家、非營利組織、基金會(huì)和高校。

同年，歐盟也推出了一項(xiàng)「人腦計(jì)劃」。

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雷鋒網(wǎng)曾報(bào)道，這一項(xiàng)目由 15 個(gè)歐洲國家參與，旨在開發(fā)信息和通信技術(shù)平臺(tái)，致力于神經(jīng)信息學(xué)、大腦模擬、高性能計(jì)算、醫(yī)學(xué)信息學(xué)、神經(jīng)形態(tài)的計(jì)算和神經(jīng)機(jī)器人研究。

不久后，我國的“腦科學(xué)與類腦科學(xué)研究”（Brain Science and Brain-Like Intelligence Technology）項(xiàng)目也提上日程。

這一計(jì)劃有三大支柱：

基于認(rèn)知方面的神經(jīng)機(jī)制的基礎(chǔ)研究；
神經(jīng)性疾病早期診斷和介入的研究成果轉(zhuǎn)化；
用于發(fā)展人工智能以及機(jī)器人的類腦研究。

此外，該計(jì)劃還有一個(gè)“一體兩翼”部署：

“一體”就是以闡釋人類認(rèn)知的神經(jīng)基礎(chǔ)為主體和核心，“兩翼”是指腦重大疾病的研究、通過計(jì)算和系統(tǒng)模擬推進(jìn)人工智能的研究。

就目前而言，類腦計(jì)算的研究也開始從最初的探索轉(zhuǎn)向突破。

比如 2019 年 8 月，清華大學(xué)施路平教授團(tuán)隊(duì)題為《面向人工通用智能的異構(gòu)天機(jī)芯片架構(gòu)》（Towards artificial general intelligence with hybrid Tianjic chip architecture）的論文登上《自然》雜志封面。

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