类脑芯片是什么意思？国内外首款类脑芯片介绍

2021-09-22 10:09:20 作者：C-C 4818

1 类脑芯片是什么

传统的通用芯片多采用冯·诺依曼架构，其计算单元与存储单元相互分离。在执行以大数据为基础的人工智能运算时，计算单元需要对存储单元内的大量数据进行频繁的存取操作，运算速度往往受限于内存读写速度，从而衍生出“内存墙”

类脑芯片，就是用电路模拟人脑神经网络架构的芯片。同传统通用的芯片相比，类脑计算芯片能够模拟人类大脑信息处理方式，用极低的功耗异步、并行、低速和分布式处理信息，实现自主感知、识别和学习等。

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2 类脑计算芯片的突破

一是突破传统“执行程序”计算范式的局限，有望形成“自主认知”的新范式;二是突破传统计算机体系结构的局限，实现数据并行传送、分布式处理，能够以极低功耗实时处理海量数据。

3 美国首款类脑芯片

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，具备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(数据传输通道)。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。IBM公司还成功演示了类脑芯片在导航、图案辨认、关联记忆和分类等领域的简单应用，包括完成迷宫游戏和挡板游戏，并指出：该类芯片“脑容量”仅相当于虫脑水平。2014年8月，IBM公司推出名为“真北”的第二代类脑芯片。

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4 我国类脑芯片的研究

2018年我国成立类脑国家实验室，类脑智能技术及应用国家工程实验室在合肥成立，将借鉴人脑机制攻关人工智能技术，推进类脑神经芯片、类脑智能机器人等新兴产业发展。中国科技大学在安徽省合肥市成立国家工程实验室，将借鉴人脑机制攻关人工智能技术。

清华大学类脑计算研究中心施路平教授所带团队开发出了全球首款异构融合类脑计算芯片——“天机芯” ，它于2019年8月1日Nature杂志上发表《面向人工通用智能的异构“天机芯”芯片架构》并成为该期Nature 杂志的封面文章。

2020年9月1日，浙江大学联合之江实验室共同研制成功了我国首台基于自主知识产权类脑芯片的类脑计算机(Darwin　Mouse)。该计算机包含792颗浙江大学研制的达尔文2代类脑芯片，支持1.2亿脉冲神经元、近千亿神经突触，与小鼠大脑神经元数量规模相当，典型运行功耗只需要350-500瓦，同时它也是目前国际上神经元规模最大的类脑计算机。与此同时，团队还研制了专门面向类脑计算机的操作系统——达尔文类脑操作系统(DarwinOS)，实现对类脑计算机硬件资源的有效管理与调度，支撑类脑计算机的运行与应用。

5 国内外研究人工智能专用芯片公司及其研发情况

国外：

英伟达Tesla P100：首个专为深度学习加速计算而设计的图形处理芯片架构

谷歌TPU：面向机器学习张量处理的加速芯片

IBM TrueNorth 芯片：TrueNorth以分布式、并行的方式来存储处理信息，支持SNN

高通Zeroth 芯片：按照人类神经网络传输信息的方式而设计，支持SNN

英特尔神经形态芯片：支持片上学习的 SNN芯片

Audience 神经形态芯片：可以模拟人耳抑制噪音，应用于智能手机

国内：

中星微：中国首个嵌入式神经网络芯片NPU

寒武纪：全球首个提出深度学习处理器芯片指令集

地平线机器人：专注于人工智能本地化机器学习芯片