IBM在4月初於美國加州舉行的年度國際物理設計研討會(International Symposium on Physical Design 2016,ISPD)公佈了其根據人腦結構所設計的神經型態混合訊號晶片TrueNorth現況,包括其晶片架構、評估板陣列、參考設計系統以及軟體生態系統。

在ISPD期間,IBM暢談該公司的類人腦電腦計畫,期望該公司將成為家喻戶曉的品牌,支援包括超智慧物聯網(IoT)到超智慧車輛、攝影機、無人機、醫療裝置,以及當然還有超智慧超級電腦等等應用。

IBM的低功耗神經型態電路設計師(Low-Power Neuromorphic Circuit Designer) Filipp Akopyan 在一篇題為「IBM TrueNorth 設計與工具流程:一顆內含百萬神經元的超低功耗可編程神經型態晶片(An Ultra-Low Power Programmable Neurosynaptic Chip with 1-Million Neurons)」中,介紹了該公司的相關軟硬體與支援生態系統。

20160413 IBM NT03P2 IBM的類人腦晶片架構,是透過研究人腦的皮層神經元發展而來

Akopyan表示,IBM的TrueNorth晶片目標是網路邊緣(Edge-of-the-Net)以及巨量資料(Big Data)解決方案,支援以超低功耗元件處理大量即時資料──該內含54億個電晶體的神經型態晶片,耗電量僅700毫瓦(milliWatts)。

「今日我們正用行動裝置製造大量資料,必須由雲端電腦來處理,但TrueNorth 可配置在網路邊緣,讓資料流饋入並進行處理,被傳送到雲端的只有重要項目以及摘要;」Akopyan 指出:「但運算資源卻正往錯誤的高功率方向發展,它們最好要被降低到生物性水準。」

IBM以神經型態核心(neuromorphic core)──也就是一批與樹突(dendrites,輸入端)與軸突(axons,輸出端)連結的神經元──為起點,任何一個神經元都能傳送訊息──稱為棘波(spike)──到其他任何一個神經元做為1或是0 (電壓脈衝或棘波)。

晶片上的神經元能傳送/接受來自任何其他晶片神經元的訊息──這是更佳的通訊方法,因為稀疏的本地通訊不只像是大腦裡所進行的那樣,而且可達到最低的訊號延遲。任何神經元也能傳送訊息到晶片外,甚至電路板外的神經元,但延遲會較高。

20160413 IBM NT03P1 TrueNorth 晶片規格

TrueNorth能實現70毫瓦功耗的關鍵是採用異步邏輯(asynchronous logic),整個晶片除非是某特定神經元正被開啟應用於與其他神經元通訊期間,其功率消耗為零。在結構上,其內含的54億電晶體如果採用同步架構,可能會消耗50~100瓦,但異步架構使其功耗降到最低。為了實現在結構上的任何神經元相互連結,晶片上有一個巨大的縱橫栓開關(crossbar switch)。

獨特的晶片設計工具

IBM採用來自眾多EDA供應商的工具來設計TrueNorth晶片,包括Cadence、Synopsys以及Spice,但也不得不自己開發EDA工具來支援部分同步、部分異步架構的共同設計。由IBM自行開發的工具命名為CoSim,顧名思義,該工具能讓晶片的不同部分,在不同工具上同步進行共同模擬。

「我們使用不同的模擬器來設計TrueNorth晶片的不同部分,」Akopyan表示:「我們的CoSim工具能提供混合式的工具流程,以支援TrueNorth的客製化共同模擬。」而IBM的開發成果,是一個由64×64、共4,096個神經型態核心組成的中央陣列,每個核心有256個神經元以及64k記憶體突觸;整個晶片有2.56億突觸、54億個電晶體、功耗僅70毫瓦。

此外那些神經型態核心能無限制組合,讓未來的神經型態記憶體能擴展成更大的晶片;目前IBM的TrueNorth晶片採用Samsung的28奈米低功耗製程。為向潛在客戶(從物聯網設備製造商到軍用無人機、超級電腦製造商)展示TrueNorth晶片的功能,IBM打造了單晶片單電路板,也有內含16片、48片電路板的機箱,以及內含16顆TrueNorth的單片電路板。

未來IBM還計畫打造配備64、256、1,024、4,096顆TrueNorth晶片的電路板,最後一種的功能可達到人腦能力的1%。IBM並有一個針對TrueNorth的軟體開發與應用城市開發生態系統,更多資訊可連結TrueNorth的官方網站;點擊以下原文連結也可看到更多IBM在ISPD的簡報圖片。

編譯:Judith Cheng

(參考原文: IBM Neurocomputer Detailed,by R. Colin Johnson)