IBM公布神经计算机芯片Truenorth详细资料

ZD至顶网服务器频道 04月08日 新闻消息： IBM日前公布了旗下Truenorth的详细发展计划。Truenorth是一款基于人脑神经形态混合信号的计算机芯片。Truenorth构造师在2016年物理设计大会（ISPD物理设计国际研讨会）上描述了 Truenorth芯片的架构、评估板系列、参考系统和软件生态系统。2016年物理设计国际研讨会是计算机械协会（ACM）举办的讨论下一代芯片的会议，会议得到英特尔、IBM、Cadence、Global Foundries、IMEC、Oracle、Synopsys、TSMC、Altera、Xilinx和其他全球明星级芯片制造商的赞助。

 从第一个微处理器到今天Supercomputers-on-a-chip（超级单片机芯片），其时钟速度和功耗都在稳步增加（图的右上），而IBM Truenorth设计师表示，我们其实应该朝相反的方向走，要沿着更低时钟速度和更低功耗那条曲线走，最终降低到人脑等级的10Hz、20瓦（图的左下）。

IBM在ISPD上描述了称之为大脑式计算机启示的概念，并希望这个词在各个领域成为大家熟知的名字，包括各种应用，如超级智能物联网（IoT）、超智能汽车、超智能相机、超智能无人驾驶飞机、超智能医疗设备，当然还有超智能超级计算机。

IBM的大脑式架构从图的左上角开始，先研究人类大脑的皮层神经元结构，再往右边伸展，进入结构性的、功能性及最后的物理实现。同样，更复杂的神经形态大脑式启示亦是从左上向下，从核心概念到单芯片到多芯片模块。

IBM低功率神经电路设计师Filipp Akopyan在会上做了题为 “IBM Truenorth的设计和工具流程：一款含一百万个神经元的超低功耗可编程神经突触（Neurosynaptic）芯片” 的邀请演讲发言，他描述IBM的硬件、软件和支持生态系统的发展。

IBM开发了自己EDA工具，可与Cadence、Synopsis、 Spice及其他软件一起使用，幻灯片里列出了理由。

Akopyan表示，IBM Truenorth芯片的目标是网络边缘和大数据解决方案，这些应用里有海量实时数据需要采用超低功耗设备进行处理，Truenorth芯片里含54亿个低成本晶体管神经突触芯片，但消耗的功率仅为700毫瓦，最适合处理此类应用。

Truenorth芯片与众最大不同的地方为，芯片同时具有传统的同步部分（接口和时序）和异步部分（大脑式架构），其设计流程必须分开但又必须同时进行，如图中所示。

Akopyan表示， “目前我们的移动设备产生海量的数据，现在是交给云计算机处理，而Truenorth可以置于网络边缘，在数据进入网络边缘时对其进行智能处理和归纳，只将重要的东西发往云里。但计算资源往高功率方向的发展是错的，应该朝低功率方向走，最好是小到生物级别。”

神经芯片同步和异步部分协同仿真的必要性，IBM用流程图做了说明。

 IBM从一个神经形态内核着手，许多神经树突（输入）和轴突（输出）连在一起。每个神经元都可以向另一个神经元发出（称之为“尖峰”的）信号，信号可为一或零（电压脉冲或“尖峰”）。芯片上的神经元可以发信号给同一芯片上的其他神经元或是接受来自同一芯片其他神经元的信号，这种信号方式有其优越性，原因不仅是因为稀疏的本地通信和人脑内的通信方式类似，而且信号延迟也更小。神经元也可以向不在同一芯片甚至不在同一块板上的其他神经元发信息，但延迟明显更大。

Truenorth芯片的所有部件有关人脑式架构的实现在这个图里有详细的说明。

Truenorth的功耗为70毫瓦，很关键的一点，主要是使用了异步逻辑，整个芯片的功耗在神经元未打开前为零，而神经元只是在与其他神经元通信时才会打开。从结构上来看，同步的54亿个晶体管会消耗50到100瓦，而异步架构的功率则非常小。

为了使神经元构成任意至任意的连接结构，芯片上有一个庞大的交叉开关，用于将芯片上54个亿晶体管的神经元连在一起。Akopyan称此交叉开关是“世界上最大的之一”。

IBM的第一个电路板层次解决方案用了单一的Truenorth芯片。DARPA和Lawerence Livermore国家实验室分别开始在他们的捕食者无人机 和核管理程序里使用此芯片。

独特的工具

IBM用了多家供应商的工具，包括Cadence、Synopsys和Spice，IBM也打造了一些自己的EDA工具，以支持Truenorth部分同步和部分异步架构的协同设计。IBM创建的工具名为CoSim，名字的意思是在芯片上不同的部分、在不同的工具软件里同时进行模拟。

Akopyan表示，“我们用了不同的模拟工具软件设计Truenorth芯片不同的部分。利用CoSim工具可以进行混合工具流程，对Truenorth进行定制的协同模拟。”

IBM的第一款16-芯片板的买主是Lawerence Livermore国家实验室。Lawerence Livermore国家实验室用这款板模拟美国日益老化的核武库管理。

如此得到的是一个64x64、一共4096个神经突触内核的中央阵列，每一个神经突触内核含256个神经元和64K内存突触，共100万个神经元和256万个突触，用了54亿个晶体管，消耗功率仅70毫瓦。此外，这些内核可以平铺无限扩展，内核在将来的芯片得到扩展后可以用于扩展神经处理器。目前的芯片采用三星28纳米低功耗工艺。

IBM的长期计划是推出越来越大的大脑式神经形态计算机型号，用目前的芯片可打造的最大的神经形态计算机的神经元数目可达人类大脑的百分之一。

为了向一众物联网厂商、军用无人机制造商、超级计算机制造商等潜在客户 展示Truenorth芯片，IBM推出了单芯片独立板机，一个盘上有16块板，全机48块板，每块板含16枚 Truenorth芯片，IBM计划以后推出64、256、1024和4096枚芯片的盘，后者的神经元数目将达到人脑的1%。

除了神经形态大脑式计算机本身之外，IBM还创建了一个含设计软件、驱动、分销渠道和平台的完整生态系统。

IBM还创建一个软件开发和应用程序开发的生态系统。