什么是类脑芯片？

近日，由清华大学类脑计算研究中心施路平教授所带团队开发出了全球首款异构融合类脑计算芯片——“天机芯” ，并一举登上最新一期 Nature 封面。这也使得类脑芯片成为当前热词。那么，什么是类脑芯片？它的技术进展到了什么程度？笔者整理网上资料，进行简要介绍。

简单来说，类脑芯片是人工智能芯片中的一种架构。它模拟人脑进行设计，相比于传统芯片，在功耗和学习能力上具有更大优势。传统上，计算机芯片都是依循冯· 诺依曼架构而设计的，存储与计算在空间上分离，计算机每次进行运算时需要在CPU和内存这两个区域往复调用，频繁的数据交换导致处理海量信息效率很低。此外，芯片在工作时，大部分的电能将转化为热能，导致功耗提高。

与之相比，人脑作为自然界几亿年进化的高级智能产物，在运行智能计算任务时，能效远远超过现有的计算机结构。总结起来，人脑特点应当具备以下几个特点：一是人脑是存算一体的，存储信息和处理信息是一起进行的。第二，具有极大的规模性。人脑由上百亿个神经元细胞组成，这些神经元细胞通过极其复杂的互联形成了一个规模巨大的有机系统，因此很多人认为要模拟真正的人脑，一定要达到某种规模才能看到类似人脑的效应，这也是TrueNorth一直追求大规模互联的原因。第三，人脑有一些比较明显的功能分区，比如视觉区、听觉区、情感区等，这些不同的功能分区有机的结合在一起，互相配合着完成大脑的活动。第四，人脑处理任务时具有极高的并行度。第五，人脑具有极低的功耗。这也是类脑芯片发展的方向。

目前，类脑芯片的研究就是基于微电子技术和新型神经形态器件的结合，希望突破传统计算架构，实现存储与计算的深度融合，大幅提升计算性能、提高集成度、降低能耗。

类脑芯片前景虽好，但是相比于依靠冯诺依曼结构的芯片来说仍处于研发，甚至是概念阶段。2011年，IBM率先在类脑芯片上取得进展，他们在模拟人脑大脑结构基础上，研发出两个具有感知、认知功能的硅芯片原型。但因技术上的限制，第一代TrueNorth的性能并不高。2014年TrueNorth第二代诞生，它使用了三星的28nm的工艺，共用了54亿个晶体管，其性能相比于第一代有了不少提升。功耗每平方厘米消耗仅为 20 毫瓦，是第一代的百分之一，直径仅有几厘米，是第一代的十五分之一。加载了神经网络模型的TrueNorth芯片，可作为实时感知流推理引擎使用，而且能够在快速、准确分类的同时保持超低功耗。

除了TrueNorth外，英特尔Loihi芯片、高通Zeroth芯片、西井科技DeepSouth芯片、浙大“达尔文”类脑芯片、AI-CTX芯片也都在类脑芯片上努力。不过这些产品距离大规模商业化的程度仍然很远。

而清华大学开发出的天机芯则是全球首款异构融合类脑芯片。它片融合了两条技术路线，提升了各个系统的能力，有望进一步推动人工通用智能的研究和发展。

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