美國斯坦福大學(xué)研究Brainstorm神經(jīng)形態(tài)芯片

如果你熟悉KwabenaBoahen，你可能會記得20世紀(jì)90年代末出現(xiàn)的人工視網(wǎng)膜芯片。

這種視網(wǎng)膜視覺系統(tǒng)是由Boahen在加州理工學(xué)院(VLSI)的神經(jīng)形態(tài)工程學(xué)計算機先驅(qū)CarverMead的帶領(lǐng)下開發(fā)的，這一系統(tǒng)的思路在最近幾年再次成為了科技界的關(guān)鍵詞——計算機視覺、人工智能，還有受大腦結(jié)構(gòu)啟發(fā)改進軟硬件的效率和性能。Boahen在接下來的十幾年中一直致力于將生物工程引入計算機行業(yè)，這可能會是未來幾年科學(xué)的正確方向——而且現(xiàn)在研究人員可以獲得前所未有的大量數(shù)據(jù)。

「這不是在正確的時間出現(xiàn)在正確的地點，」Boahen認為他將整個職業(yè)生涯用在神經(jīng)計算，并在近幾年獲得進展的原因在于這項技術(shù)直到最近才出現(xiàn)的商業(yè)可行性，「正確的方向一直在那里?！箍v觀Boahen在視網(wǎng)膜和耳蝸方面的研究歷程，他和他的團隊已經(jīng)構(gòu)建了一個全腦模型，他們也將研究成果交與了Neurogrid——最成功的神經(jīng)形態(tài)芯片項目之一，并準(zhǔn)備在下一次神經(jīng)形態(tài)芯片設(shè)計中得到應(yīng)用。

隨著摩爾定律的極限將至，近年來重新發(fā)展CMOS(互補金屬氧化物半導(dǎo)體)芯片的呼聲愈發(fā)高漲。未來的超級計算機需要全新的架構(gòu)，自定義的ASIC(專用集成電路)來應(yīng)對各種形式的任務(wù)，還沒有任何一種架構(gòu)能夠在目前的競爭中占據(jù)統(tǒng)治地位。除量子計算、FPGA芯片、多GPU加速系統(tǒng)甚至全新架構(gòu)，芯片的舞臺上還有神經(jīng)形態(tài)計算。雖然除了一些有趣的研究成果之外，這一領(lǐng)域一直沒有得到太多關(guān)注，但神經(jīng)形態(tài)計算在去年突然開始變得火熱起來。連芯片巨頭英特爾也在幾個月前宣布他們正在將神經(jīng)形態(tài)芯片的研究引入更高層面。

盡管市面上還未出現(xiàn)任何神經(jīng)形態(tài)芯片，但是我們已經(jīng)距離見證它的面世越來越近了。IBM已推出它的TrueNorth架構(gòu)多年，而最近的另外兩個項目已將神經(jīng)計算引向了更大規(guī)模。無論它們的生產(chǎn)難度、可靠性和可編程性如何，來自斯坦福大學(xué)(同時也是Neurogrid項目的中心)的研究者們剛剛發(fā)布了一種28nm工藝的芯片，向世人展示了神經(jīng)形態(tài)芯片的巨大潛力。

Boahen在過去幾年里一直任職于斯坦福大學(xué)，他目前擔(dān)任生物工程教授，領(lǐng)導(dǎo)著新的腦計算項目團隊，其中就包括Neurogrid。他領(lǐng)導(dǎo)的團隊即將在硅谷的斯坦福實驗室推出又一個新產(chǎn)品：「Brainstrom」——一個百萬神經(jīng)元神經(jīng)形態(tài)芯片裝置，它將可以運行全腦模型。這一項目自2021年啟動，由美國海軍研究辦公室資助，最后的成果將成為嵌入式應(yīng)用和集群服務(wù)器上的計算芯片。

Boahen目前還不能透露這個項目的太多細節(jié)，但他明確指出Brainstorm與其他已有神經(jīng)形態(tài)芯片設(shè)計存在著很大不同，同時將很快發(fā)表一篇論文對此進行解釋。在「ANeuromorphProspectus」中，Boahen預(yù)測了摩爾定律的終結(jié)，討論了人們將在何時真切感受到它的限制，并通過架構(gòu)、應(yīng)用和程序方面向人們描述了神經(jīng)形態(tài)計算的愿景。

在此前與媒體的對話中，Boahen曾表示當(dāng)代處理器架構(gòu)是「原始和暴力」的，并指出如何才能開發(fā)出高效運行并具有擴展性的新架構(gòu)。「目前有很多神經(jīng)形態(tài)設(shè)備正在使用超級計算機中使用的路由機制，就像網(wǎng)格一樣。問題在于，在網(wǎng)格架構(gòu)中你只能進行點對點信號傳遞。如果你想一次發(fā)出多個信號，系統(tǒng)就會鎖死?！勾竽X從來不會像現(xiàn)代芯片架構(gòu)這樣低效，生物體器官不是完美的路由機制，而是更具效率的分布式形態(tài)。通過像大腦一樣設(shè)計多分層、多分支結(jié)構(gòu)，人們很可能實現(xiàn)高性能低功耗的新一代芯片架構(gòu)，這對于那些尋求在嵌入式設(shè)備(以及集群服務(wù)器)上加入人工智能的設(shè)計者來說非常具有吸引力。

Boahen說Brainstorm是首個實現(xiàn)從高層次描述合成的脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的芯片，非FPGA編程將問題映射到設(shè)備上那種。該芯片不久之后就會進入斯坦福研究者的手中，目標(biāo)是建立能讓研究人員映射復(fù)雜問題到芯片的軟件堆棧?！肝覀兿胍嵘橄蟮膶蛹?，以便于我們能進行應(yīng)用。就像我有一個做腦機接口的合作者，他們有算法能夠記錄神經(jīng)脈沖，從而幫助推斷癱瘓病人接下來想做什么。這能通過機械臂實現(xiàn)?！顾麄冋诤献鏖_發(fā)硬件和軟件，編程高層描述，以便于合成工具能配備此芯片。

這樣的芯片能解決的一類問題是可被多維度非線形微分方程所數(shù)學(xué)描述的，或者說是基于現(xiàn)有的狀態(tài)與輸入如何隨時間變化的一類問題?！肝覀冋陂_發(fā)能直接為某種任務(wù)寫下這種非線形微分方程的框架，并能自動將其映射到脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。里面也會有將這些方程編碼、解碼到神經(jīng)元的正式方式，所以該系統(tǒng)能夠?qū)崟r的在處理過程中做其他認知型、目標(biāo)驅(qū)動的工作。」

Neurogrid的研究將會繼續(xù)，它的成果被應(yīng)用在了神經(jīng)科學(xué)研究中，并成為了最新的Brainstorm芯片和軟件方法的基礎(chǔ)。這是一個廣大的基于應(yīng)用的研究工作。Boahen表示，盡管Neurogrid中的許多開發(fā)者曾在IBM的TrueNorth神經(jīng)形態(tài)架構(gòu)上有工作經(jīng)驗，但在此項目上他的團隊并未和Intel或其他團隊的人有所合作。而且盡管他承認目前還未有任何商業(yè)上可行的設(shè)備，但他認為我們還處于開始階段，神經(jīng)形態(tài)設(shè)備剛剛展示了符合后摩爾定律時代需求的能力。

然而，人們不能被Brainstorm的嵌入式應(yīng)用點所迷惑。就像大腦一樣，關(guān)注點應(yīng)該在它在各種設(shè)備上固有的可延展性。把神經(jīng)形態(tài)的設(shè)備集群在一起形成大規(guī)模超級計算機或其他應(yīng)用，我們距離這個目標(biāo)還有很遠一段距離，不過一旦Boahen在斯坦福的團隊研制成功，新的研究熱潮就會出現(xiàn)，大量應(yīng)用就會進入人們的視野，我們期待著這一天的到來。