IBM日前公布了旗下Truenorth的詳細(xì)發(fā)展計劃。Truenorth是一款基于人腦神經(jīng)形態(tài)混合信號的計算機芯片。Truenorth構(gòu)造師在2016年物理設(shè)計大會（ISPD物理設(shè)計國際研討會）上描述了 Truenorth芯片的架構(gòu)、評估板系列、參考系統(tǒng)和軟件生態(tài)系統(tǒng)。2016年物理設(shè)計國際研討會是計算機械協(xié)會（ACM）舉辦的討論下一代芯片的會議，會議得到英特爾、IBM、Cadence、Global Foundries、IMEC、Oracle、Synopsys、TSMC、Altera、Xilinx和其他全球明星級芯片制造商的贊助。

從第一個微處理器到今天Supercomputers-on-a-chip（超級單片機芯片），其時鐘速度和功耗都在穩(wěn)步增加（圖的右上），而IBM Truenorth設(shè)計師表示，我們其實應(yīng)該朝相反的方向走，要沿著更低時鐘速度和更低功耗那條曲線走，最終降低到人腦等級的10Hz、20瓦（圖的左下）。

IBM在ISPD上描述了稱之為大腦式計算機啟示的概念，并希望這個詞在各個領(lǐng)域成為大家熟知的名字，包括各種應(yīng)用，如超級智能物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、超智能汽車、超智能相機、超智能無人駕駛飛機、超智能醫(yī)療設(shè)備，當(dāng)然還有超智能超級計算機。

IBM的大腦式架構(gòu)從圖的左上角開始，先研究人類大腦的皮層神經(jīng)元結(jié)構(gòu)，再往右邊伸展，進(jìn)入結(jié)構(gòu)性的、功能性及最后的物理實現(xiàn)。同樣，更復(fù)雜的神經(jīng)形態(tài)大腦式啟示亦是從左上向下，從核心概念到單芯片到多芯片模塊。

IBM低功率神經(jīng)電路設(shè)計師Filipp Akopyan在會上做了題為 “IBM Truenorth的設(shè)計和工具流程：一款含一百萬個神經(jīng)元的超低功耗可編程神經(jīng)突觸（Neurosynaptic）芯片” 的邀請演講發(fā)言，他描述IBM的硬件、軟件和支持生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展。

IBM開發(fā)了自己EDA工具，可與Cadence、Synopsis、 Spice及其他軟件一起使用，幻燈片里列出了理由。

Akopyan表示，IBM Truenorth芯片的目標(biāo)是網(wǎng)絡(luò)邊緣和大數(shù)據(jù)解決方案，這些應(yīng)用里有海量實時數(shù)據(jù)需要采用超低功耗設(shè)備進(jìn)行處理，Truenorth芯片里含54億個低成本晶體管神經(jīng)突觸芯片，但消耗的功率僅為700毫瓦，最適合處理此類應(yīng)用。

Truenorth芯片與眾最大不同的地方為，芯片同時具有傳統(tǒng)的同步部分（接口和時序）和異步部分（大腦式架構(gòu)），其設(shè)計流程必須分開但又必須同時進(jìn)行，如圖中所示。

Akopyan表示， “目前我們的移動設(shè)備產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)，現(xiàn)在是交給云計算機處理，而Truenorth可以置于網(wǎng)絡(luò)邊緣，在數(shù)據(jù)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)邊緣時對其進(jìn)行智能處理和歸納，只將重要的東西發(fā)往云里。但計算資源往高功率方向的發(fā)展是錯的，應(yīng)該朝低功率方向走，最好是小到生物級別。”

　　神經(jīng)芯片同步和異步部分協(xié)同仿真的必要性，IBM用流程圖做了說明。

IBM從一個神經(jīng)形態(tài)內(nèi)核著手，許多神經(jīng)樹突（輸入）和軸突（輸出）連在一起。每個神經(jīng)元都可以向另一個神經(jīng)元發(fā)出（稱之為“尖峰”的）信號，信號可為一或零（電壓脈沖或“尖峰”）。芯片上的神經(jīng)元可以發(fā)信號給同一芯片上的其他神經(jīng)元或是接受來自同一芯片其他神經(jīng)元的信號，這種信號方式有其優(yōu)越性，原因不僅是因為稀疏的本地通信和人腦內(nèi)的通信方式類似，而且信號延遲也更小。神經(jīng)元也可以向不在同一芯片甚至不在同一塊板上的其他神經(jīng)元發(fā)信息，但延遲明顯更大。

　　Truenorth芯片的所有部件有關(guān)人腦式架構(gòu)的實現(xiàn)在這個圖里有詳細(xì)的說明。

Truenorth的功耗為70毫瓦，很關(guān)鍵的一點，主要是使用了異步邏輯，整個芯片的功耗在神經(jīng)元未打開前為零，而神經(jīng)元只是在與其他神經(jīng)元通信時才會打開。從結(jié)構(gòu)上來看，同步的54億個晶體管會消耗50到100瓦，而異步架構(gòu)的功率則非常小。

為了使神經(jīng)元構(gòu)成任意至任意的連接結(jié)構(gòu)，芯片上有一個龐大的交叉開關(guān)，用于將芯片上54個億晶體管的神經(jīng)元連在一起。Akopyan稱此交叉開關(guān)是“世界上最大的之一”。

IBM的第一個電路板層次解決方案用了單一的Truenorth芯片。DARPA和Lawerence Livermore國家實驗室分別開始在他們的捕食者無人機 和核管理程序里使用此芯片。

獨特的工具

IBM用了多家供應(yīng)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部分同步和部分異步架構(gòu)的協(xié)同設(shè)計。IBM創(chuàng)建的工具名為CoSim，名字的意思是在芯片上不同的部分、在不同的工具軟件里同時進(jìn)行模擬。

Akopyan表示，“我們用了不同的模擬工具軟件設(shè)計Truenorth芯片不同的部分。利用CoSim工具可以進(jìn)行混合工具流程，對Truenorth進(jìn)行定制的協(xié)同模擬。”

IBM的第一款16-芯片板的買主是Lawerence Livermore國家實驗室。Lawerence Livermore國家實驗室用這款板模擬美國日益老化的核武庫管理。

如此得到的是一個64x64、一共4096個神經(jīng)突觸內(nèi)核的中央陣列，每一個神經(jīng)突觸內(nèi)核含256個神經(jīng)元和64K內(nèi)存突觸，共100萬個神經(jīng)元和256萬個突觸，用了54億個晶體管，消耗功率僅70毫瓦。此外，這些內(nèi)核可以平鋪無限擴展，內(nèi)核在將來的芯片得到擴展后可以用于擴展神經(jīng)處理器。目前的芯片采用三星28納米低功耗工藝。

IBM的長期計劃是推出越來越大的大腦式神經(jīng)形態(tài)計算機型號，用目前的芯片可打造的最大的神經(jīng)形態(tài)計算機的神經(jīng)元數(shù)目可達(dá)人類大腦的百分之一。

為了向一眾物聯(lián)網(wǎng)廠商、軍用無人機制造商、超級計算機制造商等潛在客戶 展示Truenorth芯片，IBM推出了單芯片獨立板機，一個盤上有16塊板，全機48塊板，每塊板含16枚 Truenorth芯片，IBM計劃以后推出64、256、1024和4096枚芯片的盤，后者的神經(jīng)元數(shù)目將達(dá)到人腦的1%。

除了神經(jīng)形態(tài)大腦式計算機本身之外，IBM還創(chuàng)建了一個含設(shè)計軟件、驅(qū)動、分銷渠道和平臺的完整生態(tài)系統(tǒng)。

IBM還創(chuàng)建一個軟件開發(fā)和應(yīng)用程序開發(fā)的生態(tài)系統(tǒng)。