勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）3月29日宣布已經(jīng)購買了首款類腦超級計(jì)算平臺(tái)，該平臺(tái)由 IBM 研究院為深度學(xué)習(xí)推理開發(fā)的。基于名為 IBM TrueNorth 的突破性神經(jīng)突觸（neurosynaptic）計(jì)算機(jī)芯片，這個(gè)可擴(kuò)展平臺(tái)只需要消耗大約一臺(tái)平板電腦的功率，也就是 16 塊芯片的能耗僅為 2.5 瓦特，就能處理大約相當(dāng)于 1600 萬個(gè)神經(jīng)元和 40 億個(gè)突觸的計(jì)算量。

這個(gè)系統(tǒng)有16片類腦芯片

「 IBM 神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)（IBM Neuromorphic System）」擁有大腦一樣的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，能夠比傳統(tǒng)芯片更高效地推理復(fù)雜的認(rèn)知任務(wù)，例如模式識(shí)別和整合的感知處理。這意味著自動(dòng)駕駛汽車中的計(jì)算機(jī)能夠通過True North利用數(shù)據(jù)中心，分析周圍駕駛環(huán)境中所有的行人、車輛以及其他事物。

IBM True North芯片能夠分別路上的行人和其他事物

在美國國家核安全局（NNSA）非常重要的任務(wù)中（比如網(wǎng)絡(luò)安全、國家核威懾和防止核擴(kuò)散的管理工作），將使用這套系統(tǒng)探索新的計(jì)算能力。NNSA 的高級仿真和計(jì)算（ASC）項(xiàng)目將評估機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用、深度學(xué)習(xí)算法和架構(gòu)、并進(jìn)行通用計(jì)算的可行性研究。ASC 是 NNSA 的核武器儲(chǔ)備管理計(jì)劃（Stockpile Stewardship Program）的基石，該計(jì)劃的目的是在沒有地下核試驗(yàn)的情況下確保美國國家核威懾的安全性、保密性和可靠性。

「神經(jīng)形態(tài)計(jì)算（neuromorphic computing）帶來了非常令人興奮的新的可能性，而且這也與我們將高性能計(jì)算和模擬作為我們國家安全任務(wù)核心的未來是一致的。」LLNL 數(shù)據(jù)科學(xué)部門副助理主任 Jim Brase 說，「神經(jīng)形態(tài)計(jì)算所代表的潛在能力和由它們帶來的機(jī)器智能將會(huì)改變我們科研的方式?！?

這項(xiàng)技術(shù)的出現(xiàn)一舉打破了自1946年以來普遍盛行的馮·諾依曼(von Neumann)計(jì)算機(jī)架構(gòu)，而且可能會(huì)作為一種有力的補(bǔ)充，助力下一代具有百億億次運(yùn)算速度的超級計(jì)算機(jī)的開發(fā)，這種超級計(jì)算機(jī)將比今天最先進(jìn)的千萬億次級（每秒千萬億次浮點(diǎn)運(yùn)算）系統(tǒng)還快 50 倍（或 2 個(gè)數(shù)量級）。

和人類大腦一樣，神經(jīng)突觸系統(tǒng)顯然需要更少的電力，體積也明顯更小。極其適用于因電力和容積問題而導(dǎo)致計(jì)算能力受限的情況，如機(jī)器人、傳感器網(wǎng)絡(luò)、公共安全監(jiān)控應(yīng)用、以及作為移動(dòng)傳感設(shè)備使用的智能手機(jī)等。

能夠使用True North芯片和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別物體，比如商標(biāo)

LLNL應(yīng)用科學(xué)計(jì)算中心的計(jì)算機(jī)科學(xué)家 Brian Van Essen 在接受科技博客 VentureBeat 采訪時(shí)表示，他們從2014年秋天開始與 IBM 的此次合作，「我們對 TrueNorth 在低功率方面的表現(xiàn)感到非常激動(dòng)，它將能源利用效率提升了一個(gè)量級。」深度學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)令人工智能倍受鼓舞，他對此也感到無比興奮。他說：「我們非常期待去探索 TrueNorth 的各種應(yīng)用。」

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LLNL 武器模擬測試和計(jì)算（Weapon Simulation and Computing）項(xiàng)目主任 Michel McCoy 同樣表示「這些類腦處理器的低功耗反映了當(dāng)我們將目光投向百億億次計(jì)算時(shí)，降低未來系統(tǒng)所有組件的功耗的行業(yè)愿望和創(chuàng)造性方法?！?

據(jù)Venture Beat報(bào)道，LLNL有可能使用這套系統(tǒng)進(jìn)行核武器的模擬測試。

「這個(gè)先進(jìn)的計(jì)算平臺(tái)的交付代表了我們進(jìn)入下一個(gè)認(rèn)知計(jì)算時(shí)代的一個(gè)重要里程碑?！笽BM 院士、IBM 阿爾馬登研究院腦啟發(fā)計(jì)算首席科學(xué)家 Dharmendra S. Modha 說，「我們非常重視與國家實(shí)驗(yàn)室的關(guān)系。事實(shí)上，在設(shè)計(jì)和制造之前，我們使用過 LLNL 的 Sequoia 超級計(jì)算機(jī)模擬 IBM TrueNorth 處理器。這種合作將會(huì)推進(jìn)類腦計(jì)算的邊界，使具備有前所未有的能力和數(shù)據(jù)吞吐量的未來系統(tǒng)成為可能，同時(shí)還有助于減少資本、操作和編程成本——將我們國家保持在科學(xué)技術(shù)的前沿?！?

Dharmendra S. Modha

此外，Modha 談到他們長期的目標(biāo)「是在盒子中建立一個(gè)大腦，在2升的容器中，容進(jìn)消耗千瓦電力的百億量級的神經(jīng)元。這是我們正在走的長期路線?！?

如今的每個(gè) TrueNorth 芯片都包含100萬個(gè)可編程神經(jīng)元(是當(dāng)今現(xiàn)有最大神經(jīng)突觸芯片的16倍)及2.56億個(gè)突觸。54億個(gè)晶體管使該芯片成為迄今世界上制造的最大的數(shù)字集成電路之一。通過將數(shù)十或數(shù)百個(gè) TrueNorth 芯片平鋪于電路板上，能夠快速擴(kuò)展至超級計(jì)算級能力。在0.8伏特下，單個(gè) TrueNorth 處理器僅需消耗70毫瓦的電力并每秒傳送46千兆的突觸運(yùn)行信息。進(jìn)行生物實(shí)時(shí)運(yùn)算時(shí)，基于該芯片的計(jì)算機(jī)的能耗比傳統(tǒng)系統(tǒng)低數(shù)個(gè)數(shù)量級。

根據(jù)合同條款，LLNL 將收到相當(dāng)于有 1600 萬個(gè)神經(jīng)元和 40 億個(gè)突觸的 16 芯片TrueNorth 系統(tǒng)以及一個(gè)端到端生態(tài)系統(tǒng)用以幫助創(chuàng)造和編程高能效的，可以模擬大腦的感知、動(dòng)作和認(rèn)知能力的機(jī)器。該生態(tài)系統(tǒng)包含一個(gè)模擬器、一種編程語言、一個(gè)集成編程壞境、一個(gè)算法及應(yīng)用庫、固件、用于組成深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工具、一個(gè)教學(xué)課程和實(shí)現(xiàn)云計(jì)算的方法。

此外，勞倫斯·利弗莫爾的計(jì)算機(jī)科學(xué)家將與 IBM 研究院、美國能源部的合作伙伴和大學(xué)機(jī)構(gòu)合作以推進(jìn)神經(jīng)突觸架構(gòu)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、算法和軟件生態(tài)系統(tǒng)的研究發(fā)展。

附：類腦芯片信息圖

什么是認(rèn)知計(jì)算？

認(rèn)知計(jì)算意在模仿人腦的認(rèn)知、行為和感知能力。模仿人腦神經(jīng)和突觸設(shè)計(jì)的神經(jīng)突出芯片，打破了過去70年一直使用的傳統(tǒng)構(gòu)架。

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)：注重語言和邏輯思維（左腦）

神經(jīng)突觸芯片：出于觸感和模式識(shí)別（右腦）

在過去幾年，IBM科學(xué)家希望能融合兩者的能力，創(chuàng)造整體的計(jì)算智能。

空前的規(guī)模

第二代芯片是近十幾年發(fā)展與研究的頂點(diǎn)，是2011年的單核硬件原型的跳躍性進(jìn)步。

可編程神經(jīng)元量 ：256個(gè)（2011年） 發(fā)展到100萬個(gè)（2014年）

可編程突觸量：262144個(gè)（2011年）發(fā)展到2.56億個(gè)（2014年）

神經(jīng)突觸核心：1個(gè)（2011年）發(fā)展到4096個(gè)（2014年）

要達(dá)到僅僅使用4千瓦電力供能1萬億突觸，1/10瓦特需供能神經(jīng)突觸芯片中的2.56億個(gè)突觸。

不同于標(biāo)準(zhǔn)芯片

傳統(tǒng)芯片一直運(yùn)行，新的突觸芯片由事件驅(qū)動(dòng)，只在需要時(shí)運(yùn)行。能造成散熱環(huán)境和低能耗使用。

神經(jīng)突觸芯片改變了傳統(tǒng)的馮·諾依曼計(jì)算構(gòu)型，這種構(gòu)型固有的限制了系統(tǒng)的性能。

新的架構(gòu)

IBM的類腦架構(gòu)包含一個(gè)神經(jīng)突觸核心網(wǎng)絡(luò)。核心并行分布運(yùn)行，運(yùn)行方式并非全時(shí)運(yùn)行，而是事件驅(qū)動(dòng)運(yùn)行。核心集成記憶、計(jì)算、交流于一體。單獨(dú)的核心會(huì)失效，像人腦一樣，整個(gè)架構(gòu)依然能工作。同一芯片上的核心相互間通過芯片上的事件驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)交流。芯片間通過可無縫延展的芯片連接接口交流，就像大腦皮質(zhì)一樣，從而創(chuàng)造可擴(kuò)展的神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)。

生態(tài)系統(tǒng)

IBM開發(fā)的用于應(yīng)用開發(fā)的端到端生態(tài)系統(tǒng)包括一個(gè)模擬器、一種編程語言、一個(gè)集成編程壞境、一個(gè)算法及應(yīng)用庫、固件、用于組成深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工具、一個(gè)教學(xué)課程和實(shí)現(xiàn)云計(jì)算的方法。

神經(jīng)形態(tài)計(jì)算將為我們帶來什么？

IBM的長期目標(biāo)是建立一套神經(jīng)突觸芯片系統(tǒng)，擁有10億神經(jīng)元和百萬億突觸，耗能僅需一千瓦，可以全部裝在一個(gè)2升的容器里。這項(xiàng)技術(shù)將被用于眾多研究和產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，包括公共安全、針對盲人的視覺輔助、家庭健康監(jiān)測和交通。