神经计算机芯片Truenorth详细资料

IBM日前公布了旗下Truenorth的详细发展计划。Truenorth是一款基于人脑神经形态混合信号的计算机芯片。IBM Truenorth构造师在2016年物理设计大会（ISPD物理设计国际研讨会）上描述了 Truenorth芯片的架构、评估板系列、参考系统和软件生态系统。
2016年物理设计国际研讨会是计算机械协会（ACM）举办的讨论下一代芯片的会议，会议得到英特尔、IBM、Cadence、Global Foundries、IMEC、Oracle、Synopsys、TSMC、Altera、Xilinx和其他全球明星级芯片制造商的赞助。

从第一个微处理器到今天Supercomputers-on-a-chip（超级单片机芯片），其时钟速度和功耗都在稳步增加（图的右上），而IBM Truenorth设计师表示，我们其实应该朝相反的方向走，要沿着更低时钟速度和更低功耗那条曲线走，最终降低到人脑等级的10Hz、20瓦（图的左下）。
IBM在ISPD上描述了称之为大脑式计算机启示的概念，并希望这个词在各个领域成为大家熟知的名字，包括各种应用，如超级智能物联网（IoT）、超智能汽车、超智能相机、超智能无人驾驶飞机、超智能医疗设备，当然还有超智能超级计算机。

IBM的大脑式架构从图的左上角开始，先研究人类大脑的皮层神经元结构，再往右边伸展，进入结构性的、功能性及最后的物理实现。同样，更复杂的神经形态大脑式启示亦是从左上向下，从核心概念到单芯片到多芯片模块。

IBM低功率神经电路设计师Filipp Akopyan在会上做了题为 “IBM Truenorth的设计和工具流程：一款含一百万个神经元的超低功耗可编程神经突触（Neurosynaptic）芯片” 的邀请演讲发言，他描述IBM的硬件、软件和支持生态系统的发展。

IBM开发了自己EDA工具，可与Cadence、Synopsis、 Spice及其他软件一起使用，幻灯片里列出了理由。
Akopyan表示，IBM Truenorth芯片的目标是网络边缘和大数据解决方案，这些应用里有海量实时数据需要采用超低功耗设备进行处理，Truenorth芯片里含54亿个低成本晶体管神经突触芯片，但消耗的功率仅为700毫瓦，最适合处理此类应用。

Truenorth芯片与众最大不同的地方为，芯片同时具有传统的同步部分（接口和时序）和异步部分（大脑式架构），其设计流程必须分开但又必须同时进行，如图中所示。

Akopyan表示， “目前我们的移动设备产生海量的数据，现在是交给云计算机处理，而Truenorth可以置于网络边缘，在数据进入网络边缘时对其进行智能处理和归纳，只将重要的东西发往云里。但计算资源往高功率方向的发展是错的，应该朝低功率方向走，最好是小到生物级别。”

IBM从一个神经形态内核着手，许多神经树突（输入）和轴突（输出）连在一起。每个神经元都可以向另一个神经元发出（称之为“尖峰”的）信号，信号可为一或零（电压脉冲或“尖峰”）。芯片上的神经元可以发信号给同一芯片上的其他神经元或是接受来自同一芯片其他神经元的信号，这种信号方式有其优越性，原因不仅是因为稀疏的本地通信和人脑内的通信方式类似，而且信号延迟也更小。神经元也可以向不在同一芯片甚至不在同一块板上的其他神经元发信息，但延迟明显更大。

Truenorth的功耗为70毫瓦，很关键的一点，主要是使用了异步逻辑，整个芯片的功耗在神经元未打开前为零，而神经元只是在与其他神经元通信时才会打开。从结构上来看，同步的54亿个晶体管会消耗50到100瓦，而异步架构的功率则非常小。
为了使神经元构成任意至任意的连接结构，芯片上有一个庞大的交叉开关，用于将芯片上54个亿晶体管的神经元连在一起。Akopyan称此交叉开关是“世界上最大的之一”。