類腦芯片是什么意思？國內外首款類腦芯片介紹

1 類腦芯片是什么

傳統的通用芯片多采用馮·諾依曼架構，其計算單元與存儲單元相互分離。在執行以大數據為基礎的人工智能運算時，計算單元需要對存儲單元內的大量數據進行頻繁的存取操作，運算速度往往受限于內存讀寫速度，從而衍生出“內存墻”

類腦芯片，就是用電路模擬人腦神經網絡架構的芯片。同傳統通用的芯片相比，類腦計算芯片能夠模擬人類大腦信息處理方式，用極低的功耗異步、并行、低速和分布式處理信息，實現自主感知、識別和學習等。

2 類腦計算芯片的突破

一是突破傳統“執行程序”計算范式的局限，有望形成“自主認知”的新范式;二是突破傳統計算機體系結構的局限，實現數據并行傳送、分布式處理，能夠以極低功耗實時處理海量數據。

3 美國首款類腦芯片

2011年8月，IBM公司通過模擬大腦結構，首次研制出兩個具有感知認知能力的硅芯片原型，具備像大腦一樣具有學習和處理信息的能力。這兩顆類腦芯片原型均采用45納米絕緣體上硅CMOS工藝制作，包含256個神經元和256個軸突(數據傳輸通道)。其中一個芯片包含65356個學習突觸，它能夠發現新的神經元連接路徑，可通過經驗進行學習，并根據響應對神經元連接路徑進行重組;而另一個芯片包含262144個可編程突觸，可以根據預先設定，通過強化或弱化神經元之間的連接，更迅速、更高效地處理信息。

類腦芯片的每個神經元都是交叉連接，具有大規模并行能力。IBM公司還成功演示了類腦芯片在導航、圖案辨認、關聯記憶和分類等領域的簡單應用，包括完成迷宮游戲和擋板游戲，并指出：該類芯片“腦容量”僅相當于蟲腦水平。2014年8月，IBM公司推出名為“真北”的第二代類腦芯片。

4 我國類腦芯片的研究

2018年我國成立類腦國家實驗室，類腦智能技術及應用國家工程實驗室在合肥成立，將借鑒人腦機制攻關人工智能技術，推進類腦神經芯片、類腦智能機器人等新興產業發展。中國科技大學在安徽省合肥市成立國家工程實驗室，將借鑒人腦機制攻關人工智能技術。

清華大學類腦計算研究中心施路平教授所帶團隊開發出了全球首款異構融合類腦計算芯片——“天機芯” ，它于2019年8月1日Nature雜志上發表《面向人工通用智能的異構“天機芯”芯片架構》并成為該期Nature 雜志的封面文章。

2020年9月1日，浙江大學聯合之江實驗室共同研制成功了我國首臺基于自主知識產權類腦芯片的類腦計算機(Darwin　Mouse)。該計算機包含792顆浙江大學研制的達爾文2代類腦芯片，支持1.2億脈沖神經元、近千億神經突觸，與小鼠大腦神經元數量規模相當，典型運行功耗只需要350-500瓦，同時它也是目前國際上神經元規模最大的類腦計算機。與此同時，團隊還研制了專門面向類腦計算機的操作系統——達爾文類腦操作系統(DarwinOS)，實現對類腦計算機硬件資源的有效管理與調度，支撐類腦計算機的運行與應用。

5 國內外研究人工智能專用芯片公司及其研發情況

國外：

英偉達Tesla P100：首個專為深度學習加速計算而設計的圖形處理芯片架構

谷歌TPU：面向機器學習張量處理的加速芯片

IBM TrueNorth 芯片：TrueNorth以分布式、并行的方式來存儲處理信息，支持SNN

高通Zeroth 芯片：按照人類神經網絡傳輸信息的方式而設計，支持SNN

英特爾神經形態芯片：支持片上學習的 SNN芯片

Audience 神經形態芯片：可以模擬人耳抑制噪音，應用于智能手機

國內：

中星微：中國首個嵌入式神經網絡芯片NPU

寒武紀：全球首個提出深度學習處理器芯片指令集

地平線機器人：專注于人工智能本地化機器學習芯片

深鑒科技：利用FPGA平臺打造人工智能芯片DPU

靈汐科技：類腦處理芯片，支持DNN/SNN混合模式

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