從IBM研究到百度投資，探尋類腦芯片產(chǎn)業(yè)路上的豐收與荊棘

　　這款名為“達(dá)爾文”的芯片面積比硬幣還小，它就像一個(gè)簡化的大腦，上面集成了2048個(gè)用硅材料制成的仿生神經(jīng)元，可支持超過400萬個(gè)神經(jīng)突觸和15個(gè)不同的突觸延遲?！斑_(dá)爾文”芯片的工作方式非常接近人腦，它通過外界接收并積累刺激，產(chǎn)生脈沖信號來傳遞和處理信息。芯片最多可支持2048個(gè)神經(jīng)元、400多萬個(gè)神經(jīng)突觸及15個(gè)不同的突觸延遲。

　　據(jù)了解，這款芯片即將應(yīng)用于智能硬件、機(jī)器人、神經(jīng)信號處理、腦機(jī)融合系統(tǒng)等領(lǐng)域，它可作為脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與算法高效的硬件運(yùn)行載體，建立類腦智能系統(tǒng)。

　　2017年5月，清華大學(xué)微電子所錢鶴、吳華強(qiáng)課題組發(fā)表了題為《使用電子突觸陣列實(shí)現(xiàn)人臉識別》的研究成果，里面提到將氧化物憶阻器的集成規(guī)模提高了一個(gè)數(shù)量級，首次實(shí)現(xiàn)了基于1024個(gè)氧化物憶阻器陣列的類腦計(jì)算。

　　這項(xiàng)成果的一大突破是在最基本的單個(gè)憶阻器上實(shí)現(xiàn)了存儲和計(jì)算的融合，采用完全不同于傳統(tǒng)“馮·諾依曼架構(gòu)”的體系，可以使芯片更加高效地完成計(jì)算任務(wù)，使能耗降低到原千分之一以下。

　　如今，國內(nèi)的寒武紀(jì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片、深鑒科技的DPU等產(chǎn)品都是類腦科技在芯片上的應(yīng)用?？梢院敛豢鋸埖恼f，未來企業(yè)想成為AI領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，沒有類腦芯片技術(shù)的加持，將舉步維艱。

　　雖然類腦科技有著很好的應(yīng)用前景，目前也取得了很多成就，但是它離真正的產(chǎn)業(yè)化仍有很大的距離。

     當(dāng)前類腦芯片產(chǎn)業(yè)化面臨的痛點(diǎn)

　　對于類腦芯片產(chǎn)業(yè)而言，目前主要面臨的難題來自于四個(gè)方面，一是類腦芯片的單晶硅材料和憶阻器等技術(shù)有待突破;二是對腦的觀測和工作機(jī)制了解不夠;三是類腦芯片的研究門檻高，人才和企業(yè)隊(duì)伍缺失;四是類腦芯片的工程化難題。

　一、類腦芯片材料的缺失

　　目前類腦芯片研制的挑戰(zhàn)之一是在硬件層面上模仿人腦中的神經(jīng)突觸，在設(shè)計(jì)人造突觸時(shí)通常用施加電壓的方式來模擬神經(jīng)元中的信息傳輸。但這種技術(shù)存在一個(gè)難題，由于大多數(shù)由非晶材料制成的人造突觸中，離子通過的路徑有無限種可能，難以預(yù)測離子究竟走哪一條路，造成不同神經(jīng)元電流輸出的差異。

　　科學(xué)家們研究了基于CMOS和憶阻器實(shí)現(xiàn)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，但對憶阻器的邏輯完備性、計(jì)算復(fù)雜度、級聯(lián)、可重構(gòu)等性能要求很高，從憶阻器理論出發(fā)，神經(jīng)元模型中的鈣離子和鉀離子通道由易失性憶阻器構(gòu)成，對憶阻器的頻率依賴嚴(yán)重，滿足類腦芯片的單晶硅和憶阻器等材料技術(shù)仍有待突破。

　　二、對腦的觀測和認(rèn)識不夠

　　類腦芯片的研究在于直接在微芯片上模擬生物神經(jīng)元和突觸的屬性，做到這一點(diǎn)面臨的主要挑戰(zhàn)，是配置由人造神經(jīng)元組成的網(wǎng)絡(luò)，讓其能執(zhí)行特定的任務(wù)。類腦芯片的架構(gòu)是模擬人腦的新型芯片編程架構(gòu)，這種芯片的功能類似于大腦的神經(jīng)突觸，處理器類似于神經(jīng)元，而其通訊系統(tǒng)類似于神經(jīng)纖維，通過這種神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)可以感知、記憶和處理大量不同的情況。

　　因?yàn)槿四X是由140億個(gè)腦細(xì)胞組成，每個(gè)腦細(xì)胞可生長出2萬個(gè)樹枝狀的樹突用來計(jì)算信息，人腦神經(jīng)細(xì)胞功能間每秒可完成信息傳遞和交換次數(shù)達(dá)1000億次。用半導(dǎo)體材料模擬腦細(xì)胞和突觸的功能來設(shè)計(jì)芯片，由于人類對于腦的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，這樣的芯片在性能上遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到“人腦”的要求。

　　三、類腦芯片的研究門檻高，人才和企業(yè)隊(duì)伍缺失

　　類腦芯片技術(shù)有很多難點(diǎn)，它本身有著很強(qiáng)的技術(shù)門檻，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前從事類腦芯片研究隊(duì)伍(包括企業(yè)和研究機(jī)構(gòu))不到一百家，整個(gè)團(tuán)隊(duì)仍不強(qiáng)大，全球研究這門技術(shù)人才遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠撐起整個(gè)產(chǎn)業(yè)。

　　必須承認(rèn)的是，類腦芯片是一門涉及電子、人工智能、材料、神經(jīng)學(xué)等多學(xué)科的綜合技術(shù)，對頂層設(shè)計(jì)人才的全面要求很高，目前行業(yè)很缺這樣的人才。

　　四、類腦芯片的工程化難題

　　因?yàn)轭惸X芯片的脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)特性決定了異步電路是脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)元間大量互聯(lián)以及通訊的最有效形式，對于某些需要復(fù)雜模型的SNN網(wǎng)絡(luò)，模擬運(yùn)算以及數(shù)?；旌想娐窌亲顑?yōu)的解決方案。

　　aiCTX公司CEO喬寧博士認(rèn)為，當(dāng)前類腦芯片在走向應(yīng)用的過程中面臨著工程化的難題。對于不同的應(yīng)用，類腦芯片處理器的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程會有所不同，這對于中下游企業(yè)而言，芯片在不同場景下的兼容性和性能也會有所不同，目前尚未出現(xiàn)真正產(chǎn)業(yè)化的通用類腦芯片。  

     aiCTX公司對國內(nèi)廠商的啟示

　　類腦芯片產(chǎn)業(yè)的前景不可估量，但同時(shí)也給企業(yè)帶來很大的挑戰(zhàn)，畢竟有很多現(xiàn)實(shí)的難題需要去解決。對于國內(nèi)廠商而言，挑戰(zhàn)和機(jī)遇并存，國內(nèi)對類腦芯片的研究仍處在起步階段，還需要很長時(shí)間的技術(shù)積累，但aiCTX公司的發(fā)展給行業(yè)帶來了很好的啟示。創(chuàng)業(yè)型企業(yè)亦可成為推動類腦芯片產(chǎn)業(yè)化的中堅(jiān)力量，這從aiCTX公司的發(fā)展就可以看出來。

　　喬寧博士表示，作為一家初創(chuàng)企業(yè)，aiCTX公司沒有理由碾壓IBM，這并不現(xiàn)實(shí)，IBM和英特爾的芯片是做基礎(chǔ)研究和通用架構(gòu)。aiCTX公司的優(yōu)勢是針對具體應(yīng)用的專用芯片，因而在應(yīng)用場景上，功耗，性能以及集成度方面會有很大提升。

　　類腦芯片的出現(xiàn)是為了幫助我們解決生活中遇到的難題，其最終的理想狀態(tài)是應(yīng)用到生活中各個(gè)領(lǐng)域，如手勢或語音控制的智能家居、面部識別的移動設(shè)備、實(shí)時(shí)的ECG健康檢測、無人車的目標(biāo)識別等，這些場景都需要類腦芯片的支持。

　　要實(shí)現(xiàn)類腦芯片的產(chǎn)業(yè)化，除了需要上面提到的行業(yè)巨頭和科研機(jī)構(gòu)，也需要更多國內(nèi)企業(yè)的加入，讓類腦芯片技術(shù)早日改變我們的生活。

　　總結(jié)：

　　自從人工智能的概念被提出，人們對芯片算力和智能的要求更高，類腦芯片的橫空出世讓研究人員眼前一亮，很多企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)積極推動產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，甚至有人認(rèn)為它是人工智能的終極目標(biāo)。一直以來，神經(jīng)形態(tài)計(jì)算領(lǐng)域的研究人員都希望能將人腦的能力“復(fù)制”到計(jì)算機(jī)芯片。這樣的于人腦芯片與現(xiàn)在基于二進(jìn)制進(jìn)行計(jì)算的數(shù)字芯片不同，其元件將以模擬的方式進(jìn)行工作，通過交換梯度信號或權(quán)重信號來激活，非常類似神經(jīng)元依靠流過突觸的離子種類和數(shù)量來激活。

　　類腦芯片的本質(zhì)是模擬人腦工作原理實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)，進(jìn)而解決極其復(fù)雜的計(jì)算問題。目前類腦芯片離真正成熟的商用還有一段距離，甚至在產(chǎn)業(yè)化中面臨很大的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)，但從長期來看，它可能帶來計(jì)算機(jī)體系的革命和架構(gòu)的變革。正是上面這些科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)的推動，它們的成果讓這個(gè)想法變成了現(xiàn)實(shí)。類腦芯片非常具有想象空間，就像專家說的那樣，成熟的類腦芯片有可能長出眼睛，像人一樣辨別圖像，這真是太神奇了。未來，筆者相信會有更多的企業(yè)和人才加入到這個(gè)產(chǎn)業(yè)之中，一起推動類腦芯片的產(chǎn)業(yè)化，讓這門技術(shù)早日改變我們的生活。