智東西（公眾號：zhidxcom）
文 | Lina 心緣
智東西(xi)8月1日消息，又(you)一支清華(hua)芯(xin)片團隊取(qu)得重大突破！來自清華(hua)的“天機(ji)”類(lei)腦芯(xin)片架構登上(shang)了頂(ding)級學術雜志《自然（Nature）》封面。
28nm的天(tian)機芯片由(you)156個FCores組成，面積為3.8×3.8毫米，包含大約40000個神經元和(he)1000萬個突觸，可(ke)以同時支持機器(qi)學習算法和(he)類腦電路。
據智東西(xi)了解，“天(tian)機”類(lei)腦(nao)芯片項(xiang)目脫胎于清(qing)華精(jing)密(mi)儀(yi)器(qi)系(xi)(xi)，是清(qing)華精(jing)密(mi)儀(yi)器(qi)系(xi)(xi)教(jiao)(jiao)授、腦(nao)計算(suan)中心主(zhu)任(ren)施路平教(jiao)(jiao)授帶隊主(zhu)導的(de)類(lei)腦(nao)芯片項(xiang)目之一。
2018年(nian)1月，“天機”團(tuan)隊注冊成立了北京靈(ling)汐科技，董事長兼CEO為祝(zhu)夭(yao)龍(long)。靈(ling)汐科技于2018年(nian)8月披露了其(qi)天使輪融資，投資方來自(zi)華(hua)控基石(shi)基金、優選(xuan)資本(ben)、清華(hua)控股。
而本篇Nature論(lun)文的第一作(zuo)者裴京也是(shi)靈汐科技的監事，施路(lu)平教授(shou)則為公司董事。
一、脫身清華，落地靈汐科技
這篇(pian)論文名為(wei)《面向通用人工智能的(de)異構融合(he)芯片架構“天機”（Towards artificial general intelligence with hybrid Tianjic chip architecture）》
這篇(pian)論(lun)文中介(jie)紹了清華團隊的“天機”類腦(nao)芯(xin)片架構，它不僅算力高、功(gong)耗低(di)、支(zhi)持多種不同AI算法、而且(qie)采用了存(cun)算一體技術，不需(xu)要外掛DDR，能夠(gou)節省成本功(gong)耗和空間。
在論文(wen)中，研究團(tuan)隊描述了這(zhe)種芯片如何幫助機器響應語音命令(ling)，識別周圍(wei)世界，避開障礙(ai)并(bing)保持(chi)平衡。
而在(zai)附上的視頻中，“天(tian)機(ji)”團(tuan)隊(dui)還(huan)展示了搭載該芯片的自動駕駛自行車是如何自動控制平衡(heng)、并在(zai)操場上對(dui)目(mu)標人物進(jin)行識(shi)別、跟隨、自動避障。
論文地址：//www.nature.com/articles/s41586-019-1424-8
▲清華施路平教授
施路平教授(shou)表(biao)示，此次(ci)發表(biao)在《自然(ran)》的論文是(shi)一(yi)個(ge)非(fei)常初步(bu)的研究(jiu)，人工通用智能(neng)是(shi)一(yi)項(xiang)非(fei)常具有挑戰性(xing)的工作，目前還處于起(qi)步(bu)階段。他和團隊的研究(jiu)愿景是(shi)——“發展類腦(nao)計(ji)算，支(zhi)撐人工通用智能(neng)，賦能(neng)各行各業”。
據他透露，目(mu)前，團隊已經(jing)啟動了下一代芯片的研究，預期(qi)明年(nian)年(nian)初(chu)可以完成研發工作。
未(wei)來，天機(ji)芯片有(you)望部署在自動駕(jia)駛汽(qi)車和智(zhi)能機(ji)器(qi)人中。
二、“天機”芯片技術拆解
“天機”是一(yi)種推進人工通用智能（AGI）發(fa)展的(de)異構融合芯片架構，結合了神經科學(xue)導向(xiang)和計(ji)算(suan)機科學(xue)導向(xiang)方法(fa)的(de)優點。
在(zai)論文中，作(zuo)者用一(yi)個(ge)無人自行(xing)車(che)系統(tong)驗證了這一(yi)異構融(rong)合(he)芯片的處(chu)理能力。試驗中，僅用一(yi)個(ge)芯片，無人駕駛自行(xing)車(che)系統(tong)即可(ke)同(tong)時(shi)處(chu)理多種(zhong)算法和(he)模型，不僅可(ke)以識別語音指令、實現(xian)自平衡(heng)控(kong)制，還能完成對前方行(xing)人的實時(shi)檢(jian)測和(he)跟(gen)蹤，并完成自動過障(zhang)、避(bi)障(zhang)和(he)平衡(heng)控(kong)制等任務。
據(ju)論文介紹，發展人工通用智(zhi)能的方法主要有兩種，一種基(ji)于計算機科學(xue)導向(xiang)(xiang)，另一種基(ji)于神經(jing)科學(xue)導向(xiang)(xiang)。
據負責芯片設計(ji)和算法細節的(de)論(lun)文作者鄧磊介紹，此前，市面(mian)上的(de)深度學(xue)習加速(su)器(qi)通常(chang)只支持計(ji)算機科學(xue)模型，神經形(xing)態芯片只支持神經科學(xue)模型。
兩類方(fang)法(fa)依賴不(bu)同且(qie)不(bu)兼容的(de)平(ping)臺(tai)，在一定程度上延緩了人(ren)工通(tong)用智能的(de)發(fa)展，因此需要一個可(ke)以(yi)支持通(tong)用的(de)基于計算機科學的(de)人(ren)工神經網絡以(yi)及神經科學啟發(fa)的(de)模(mo)型(xing)和算法(fa)的(de)通(tong)用平(ping)臺(tai)。
研究(jiu)團(tuan)隊由此(ci)提(ti)出天機芯片（Tianjic chip），同時支持(chi)計(ji)算(suan)機科學模(mo)型和神經網絡(luo)模(mo)型。
鄧磊表(biao)示(shi)，天機芯片能做到(dao)兩者都(dou)支持，同時支持神經科(ke)學發現的(de)(de)(de)眾多神經回路網絡(luo)和異構網絡(luo)的(de)(de)(de)混(hun)合(he)(he)建(jian)模(mo)。因為兩類模(mo)型所使用的(de)(de)(de)語言、計算原理、編(bian)碼方(fang)式和應用場景都(dou)不相同，實現這(zhe)兩種(zhong)模(mo)型深度高效的(de)(de)(de)融合(he)(he)，是天機芯片設計中(zhong)最(zui)大的(de)(de)(de)挑(tiao)戰(zhan)。
天機(ji)芯片采(cai)用(yong)多核架構、可重構的(de)(de)構建模塊和采(cai)用(yong)混合(he)編碼方案的(de)(de)流線型(xing)數(shu)據(ju)流，不僅(jin)可以適應基于計算機(ji)科學(xue)的(de)(de)機(ji)器學(xue)習算法(fa)，還(huan)可以輕松實現腦啟動電路(lu)和多種編碼方案。
研究團隊的一項重(zhong)要(yao)創新(xin)是Tianjic高度(du)可重(zhong)構的的統一功能核（FCore），它結(jie)合了人工神經網絡(luo)和(he)生物網絡(luo)的基本構建模塊——軸突、突觸(chu)、樹突和(he)體(ti)細胞塊。
28nm的(de)天機芯片由156個(ge)FCores組成，面積為3.8×3.8毫(hao)米(mi)，包含大約(yue)40000個(ge)神經元和1000萬個(ge)突觸(chu)，可以同時(shi)支持(chi)機器(qi)學習算法和類腦(nao)電路(lu)。
天(tian)機芯(xin)片提供超過(guo)每秒610千兆字節（GB）的內部存(cun)儲器(qi)帶寬，以及運行(xing)人工神經網絡的1.28 TOPS的峰(feng)值性(xing)能。
在(zai)生物啟發的(de)(de)尖(jian)峰(feng)(feng)神經網絡模式(shi)中，天機芯片實(shi)現了(le)每瓦約650千兆(zhao)每秒突(tu)觸操作（GSOPS）的(de)(de)峰(feng)(feng)值(zhi)性(xing)能。該研究(jiu)團隊還展示了(le)與GPU相比的(de)(de)卓(zhuo)越(yue)性(xing)能，其中新芯片的(de)(de)吞吐量提高了(le)1.6-100倍，電源(yuan)效(xiao)率提高了(le)12-10000倍。
研究(jiu)團隊設計了一個(ge)無人(ren)駕(jia)駛自行車實驗，來評估芯(xin)片整合多模態信(xin)息(xi)和做出迅速決(jue)策(ce)的能(neng)力。
該自(zi)行(xing)(xing)車配備(bei)天(tian)機(ji)芯片和IMU傳(chuan)感(gan)器、攝像頭、轉向(xiang)電機(ji)、驅動電機(ji)、調速(su)(su)電機(ji)、電池。自(zi)行(xing)(xing)車可(ke)以執行(xing)(xing)實時物體(ti)檢測(ce)、跟(gen)蹤、語音命令識(shi)別、騎行(xing)(xing)減速(su)(su)帶、避(bi)障，平(ping)衡控制和決策等任務。
研究小(xiao)組開發了各種(zhong)神經(jing)網(wang)絡（CNN、CANN、SNN和MLP網(wang)絡）來完(wan)成每項(xiang)任務。這些模(mo)型(xing)經(jing)過預(yu)訓練并編(bian)程到(dao)天(tian)機芯片上(shang)，可以并行處理模(mo)型(xing)，實現不同模(mo)型(xing)之間(jian)的(de)無(wu)縫片上(shang)通(tong)信。
在(zai)實(shi)驗中，采用天機芯片的(de)無人駕駛自行車順利完成了所有(you)分配(pei)的(de)任務，這標志著加速AGI發展的(de)巨大飛躍。
研(yan)究小組還指(zhi)出(chu)：“通過(guo)隨機(ji)將新(xin)變(bian)量實時(shi)引入(ru)環境中可以(yi)產(chan)生高時(shi)空(kong)復雜性(xing)，例如不同的道路條件、噪聲、天(tian)氣(qi)因素(su)、多(duo)種(zhong)語言、更多(duo)人等等。通過(guo)探索(suo)允許適應這些環境變(bian)化的解決方(fang)案，可以(yi)檢(jian)查(cha)對AGI至關重要的問題，比如概(gai)括、穩健性(xing)和(he)自主學習。”
三、低功耗、低成本、高算力
在去年10月的安博會上，靈汐科技也向智東西(xi)展示(shi)了其(qi)110nm工藝(yi)的第一(yi)代、28nm的第二(er)代“天機”架構的類腦(nao)芯片(pian)，主(zhu)打云端(duan)智能市(shi)場。
▲第一、第二(er)代“天機”架構(gou)類腦芯(xin)片(pian)
靈(ling)(ling)汐科(ke)技告(gao)訴(su)智(zhi)東(dong)西，由于繞過了HBM內(nei)存(cun)技術(shu)對AI芯片性能和成本(ben)的(de)限制，靈(ling)(ling)汐科(ke)技的(de)芯片與市(shi)場(chang)同類產(chan)品比起來，具備低功耗、低成本(ben)、高計算力的(de)優勢。
“天(tian)機”架構(gou)采用優(you)化過(guo)的(de)(de)(de)眾核(he)架構(gou)，由一(yi)系列(lie)核(he)構(gou)成陣(zhen)列(lie)完成神經(jing)網絡的(de)(de)(de)計算。在(zai)摩爾定律即(ji)將失效(xiao)的(de)(de)(de)今(jin)天(tian)，在(zai)現有的(de)(de)(de)工(gong)藝基礎上，從優(you)化架構(gou)入手可能(neng)是提高芯片性(xing)能(neng)最重要的(de)(de)(de)手段。
據靈汐科技介紹，“天機(ji)”架構已經超越了傳(chuan)統的(de)馮諾伊曼結(jie)構，不(bu)像傳(chuan)統架構的(de)芯片一樣在計算的(de)時候(hou)必須與DDR進行大量的(de)數據交互而受存(cun)儲(chu)帶寬(kuan)的(de)限制，使(shi)整個芯片的(de)性能受到影(ying)響。
這(zhe)也(ye)是(shi)“天機”架構芯片算力高的(de)(de)一個極(ji)其重要(yao)的(de)(de)原因(yin)。因(yin)為(wei)不用從(cong)外部導入數據，因(yin)此它(ta)的(de)(de)功耗(hao)比較低，也(ye)節省了(le)成本和空(kong)間。
結語：類腦芯片，AI計算新藍海
類(lei)(lei)腦(nao)芯(xin)片其實并(bing)不是(shi)一(yi)個新話題了。早在2014年，IBM就(jiu)推出了業內首款類(lei)(lei)腦(nao)芯(xin)片TrueNorth。目前國內外有(you)許多公司和(he)機構正(zheng)在類(lei)(lei)腦(nao)芯(xin)片研發上投入大量精力。
據靈汐科技介紹，與當前市面上其(qi)他AI芯(xin)片架構相比，“天機”類腦芯(xin)片的主要優勢有：
1、算力高；
2、功耗低；
3、存算一體，不需要外掛DDR，節(jie)省成本功耗和空(kong)間；
4、算法的支持度靈活，既能高(gao)效(xiao)支(zhi)持人工神經網(wang)絡算法(fa)，又(you)能高(gao)效(xiao)支(zhi)持SNN算法(fa)；
5、擴展性好，能(neng)得到(dao)極大(da)算力的(de)芯片陣(zhen)列，而且算力效率(lv)不(bu)會下降；
6、支持多核重組特性，可以實現多任務并行處理。
就在今年7月16日，英特(te)爾也發布了(le)“Pohoiki Beach”芯(xin)片系(xi)統，該系(xi)統主要由Loihi神經擬態芯(xin)片構成，可(ke)處理深度學習任務(wu)，速度比CPU快(kuai)1000倍，效(xiao)率高10000倍，耗電量小100倍。
Pohoiki Beach系統由64塊Loihi芯片(pian)(pian)的(de)800萬個(ge)所謂(wei)的(de)神(shen)經(jing)元構(gou)成(cheng)。Loihi芯片(pian)(pian)是(shi)英特(te)爾公司2017年(nian)首次推出的(de)AI芯片(pian)(pian)，是(shi)一款(kuan)模仿(fang)人(ren)類大腦的(de)神(shen)經(jing)擬態芯片(pian)(pian)。
相比(bi)于傳統芯(xin)片，類腦芯(xin)片的確(que)在功耗上(shang)具有(you)(you)絕對優(you)勢，完(wan)成同一個(ge)任務所消耗的能源有(you)(you)時甚至(zhi)比(bi)傳統芯(xin)片節省高(gao)達(da)1000倍。
同時(shi)類腦芯片(pian)的(de)集(ji)成度也非常(chang)高(gao)，拿(na)浙(zhe)大推出的(de)“達爾文”芯片(pian)來說(shuo)，其面積(ji)為25平(ping)方(fang)毫米(mi)，也就是(shi)說(shuo)邊長(chang)只有0.5厘米(mi)，但(dan)內(nei)部(bu)卻能包含(han)500萬個(ge)晶體管。
隨著(zhu)行(xing)業對計算力要求(qiu)越(yue)來(lai)越(yue)高，馮氏瓶頸將越(yue)來(lai)越(yue)明顯，顛覆傳統架(jia)構的類腦(nao)芯片已(yi)為芯片行(xing)業開啟了一扇新的大門。
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