從類腦芯片的原理分析，類腦芯片的研究具有很大的積極意義。但是類腦技術(shù)的研究尚且存在很多問(wèn)題，其產(chǎn)業(yè)化道路還有很遠(yuǎn)。

國(guó)內(nèi)外在類腦芯片上的研究成果

作為全球最早研究類腦芯片技術(shù)的企業(yè)，IBM公司早在2011年就取得了一些成績(jī)，通過(guò)模擬人腦大腦結(jié)構(gòu)，IBM研發(fā)了兩個(gè)具有認(rèn)知和感知功能的硅芯片原型，當(dāng)時(shí)它們給這個(gè)芯片取名為“蟲腦”。在2014年的時(shí)候，IBM再接再厲又研制出升級(jí)版的“蟲腦”芯片，性能大大提升。據(jù)OFweek了解到，這款芯片使用了54億個(gè)晶體管，功耗每平方厘米僅消耗20 毫瓦，直徑僅幾厘米，表現(xiàn)相當(dāng)出色。

同樣是在2014年，高通原本打算發(fā)布一版電子芯片，2013年高通曾公開此款芯片，將其命名為Zeroth。據(jù)OFweek了解，這款芯片是一款類似大腦的計(jì)算機(jī)芯片，高通將它稱作“神經(jīng)處理裝置”。

Zeroth芯片的的終極目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)新型處理架構(gòu)的創(chuàng)建、定義和標(biāo)準(zhǔn)化，高通稱之為“神經(jīng)處理器”(NPU)。它們?cè)O(shè)想NPU用于各種不同設(shè)備，在SoC里與其它模塊并存，因此既能用傳統(tǒng)編程語(yǔ)言開發(fā)程序，也能隨時(shí)調(diào)用NPU來(lái)訓(xùn)練設(shè)備，使之具備人腦一樣的交互和行為。

近日，英特爾中國(guó)研究院表示它們已研發(fā)出類人腦的神經(jīng)擬態(tài)LOIHI芯片，這款芯片以人腦為模型，包括模擬大腦基本機(jī)制的數(shù)字電路，它有1024個(gè)人造神經(jīng)元和1.3億個(gè)突觸連接。

全球最大的神經(jīng)形態(tài)超級(jí)計(jì)算機(jī)SpiNNaker日前首次啟用，它擁有100萬(wàn)個(gè)處理器內(nèi)核，每秒可執(zhí)行200萬(wàn)億次操作，能夠達(dá)到人腦百分之一的比例，是世界上第一個(gè)低功耗、大規(guī)模人腦數(shù)字模型。谷歌、英偉達(dá)、Facebook等巨頭也在加大類腦芯片的研究。前幾年大火的Google AlphaGo和英偉達(dá)的GPU以及Facebook大腦等，無(wú)一不借鑒或采用了最新的類腦芯片技術(shù)。

類腦芯片的產(chǎn)業(yè)落地過(guò)程

追溯類腦芯片的真正落地，還要從TrueNorth說(shuō)起。TrueNorth 是 IBM 潛心研發(fā)近 10 年的類腦芯片。美國(guó) DARPA 計(jì)劃從 2008 年起就開始資助 IBM 公司研制面向智能處理的脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片。

IBM公司不僅僅沉浸在實(shí)驗(yàn)室研究類腦芯片技術(shù)，它們還積極地推動(dòng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，2014年IBM將研制出的模擬人腦芯片應(yīng)用在潛水系統(tǒng)上，用這款芯片制作的超級(jí)計(jì)算機(jī)來(lái)探測(cè)海嘯和海底環(huán)境。不久前，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室與IBM公司合作研發(fā)的AI超級(jí)計(jì)算機(jī)引起關(guān)注，這款機(jī)器最大亮點(diǎn)是采用模擬人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的芯片，處理能力相當(dāng)于六千四百萬(wàn)個(gè)神經(jīng)細(xì)胞和一百六十億個(gè)神經(jīng)突觸的類腦功能，機(jī)器學(xué)習(xí)性能超過(guò)當(dāng)前任何硬件模型。除了算力，這款芯片的低能耗優(yōu)勢(shì)讓人眼前一亮，其每個(gè)芯片耗能只相當(dāng)于十瓦燈泡。目前它們正在探索這款芯片系統(tǒng)在可穿戴、飛機(jī)和自動(dòng)化設(shè)備等領(lǐng)域的應(yīng)用。

16年，IBM又公布了與美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室、以及勞倫斯?利物莫國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在TrueNorth芯片應(yīng)用方面合作的最新成果，包括手指識(shí)別、情緒識(shí)別、圖像分類和對(duì)象追蹤等。

與 TrueNorth 和Loihi不同， 高通公司開展研究的是Zeroth “認(rèn)知計(jì)算平臺(tái)”，曾在業(yè)界引起了巨大的震動(dòng)。原因就在于它可以融入到高通公司量產(chǎn)的 Snapdragon處理器芯片中，以協(xié)處理的方式提升系統(tǒng)的認(rèn)知計(jì)算性能，并可實(shí)際應(yīng)用于手機(jī)和平板電腦等設(shè)備中，支持諸如語(yǔ)音識(shí)別、圖像識(shí)別、場(chǎng)景實(shí)時(shí)標(biāo)注等實(shí)際應(yīng)用并且表現(xiàn)卓越。

這些芯片能夠用于支持類似Siri和Google Now的數(shù)碼助手來(lái)控制機(jī)器人四肢、無(wú)人機(jī)以及無(wú)人汽車。Zeroth芯片模仿人腦結(jié)構(gòu)，由數(shù)十億協(xié)力合作的神經(jīng)細(xì)胞組成，此款芯片在特定領(lǐng)域的計(jì)算速度比普通計(jì)算機(jī)更快、更有效。

類腦芯片產(chǎn)業(yè)化存在的問(wèn)題

1. 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(lái)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(guò)的路徑有無(wú)限種可能，難以預(yù)測(cè)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(duì)憶阻器的邏輯完備性、計(jì)算復(fù)雜度、級(jí)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(duì)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。

2. 對(duì)腦的觀測(cè)和認(rèn)識(shí)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(guò)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(zhǎng)出2萬(wàn)個(gè)樹枝狀的樹突用來(lái)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(lái)設(shè)計(jì)芯片，由于人類對(duì)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。

3. 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(duì)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。

4. 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(duì)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)模混合電路會(huì)是最優(yōu)的解決方案。當(dāng)前類腦芯片在走向應(yīng)用的過(guò)程中面臨著工程化的難題。對(duì)于不同的應(yīng)用，類腦芯片處理器的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程會(huì)有所不同，這對(duì)于中下游企業(yè)而言，芯片在不同場(chǎng)景下的兼容性和性能也會(huì)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。

在類腦芯片概念提出至今，國(guó)內(nèi)外投入研究的企業(yè)數(shù)量也很多，對(duì)于國(guó)內(nèi)的芯片企業(yè)來(lái)說(shuō)，這也是一次位于同一級(jí)別研究的跑道，是一次重要的發(fā)展機(jī)會(huì)。