達(dá)爾文芯片建立引領(lǐng)未來(lái)的新型計(jì)算機(jī)體系架構(gòu)

近日，浙江大學(xué)聯(lián)合之江實(shí)驗(yàn)室共同研制成功了我國(guó)首臺(tái)基于自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)類腦芯片的類腦計(jì)算機(jī)（Darwin Mouse），我國(guó)類腦計(jì)算技術(shù)發(fā)展迎來(lái)新里程碑。

浙江大學(xué)校長(zhǎng)吳朝暉院士表示，人工智能浪潮正加快智能增強(qiáng)時(shí)代的到來(lái)，類腦計(jì)算機(jī)將成為未來(lái)計(jì)算的主要形態(tài)和重要平臺(tái)，將在模擬腦功能、高效實(shí)現(xiàn) AI 算法、提升計(jì)算能力等方面發(fā)揮重要的獨(dú)特作用。面向未來(lái)，學(xué)科交叉會(huì)聚將成為解決重大問(wèn)題的新方法，基于多學(xué)科、多領(lǐng)域的系統(tǒng)創(chuàng)新將成為研制類腦計(jì)算機(jī)的有效形式。希望今天浙江大學(xué)和之江實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)新一小步，可以成就人類美好生活的發(fā)展一大步。

之江實(shí)驗(yàn)室主任、浙江大學(xué)黨委副書(shū)記朱世強(qiáng)表示，雙方科研團(tuán)隊(duì)夜以繼日，快速完成了研發(fā)設(shè)計(jì)，這一階段性成果具有重大里程碑意義。未來(lái)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)將基于我國(guó)自主產(chǎn)權(quán)類腦芯片，研制規(guī)模更大的神經(jīng)元類腦計(jì)算機(jī)，同時(shí)研究支撐其運(yùn)行與開(kāi)發(fā)的類腦基礎(chǔ)軟件體系，并逐步實(shí)現(xiàn)開(kāi)源與開(kāi)放，為我國(guó)類腦計(jì)算新技術(shù)的發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

1.6 米高的三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜并排而立，黑色的外殼給人酷酷的感覺(jué)，紅色的信號(hào)燈不停地閃爍，靠得近些似乎能聽(tīng)到里面脈沖信號(hào)飛速奔跑的聲音。

這臺(tái)類腦計(jì)算機(jī)包含 792 顆浙江大學(xué)研制的達(dá)爾文 2 代類腦芯片，支持 1.2 億脈沖神經(jīng)元、近千億神經(jīng)突觸，與小鼠大腦神經(jīng)元數(shù)量規(guī)模相當(dāng)，典型運(yùn)行功耗只需要 350-500 瓦，同時(shí)它也是目前國(guó)際上神經(jīng)元規(guī)模最大的類腦計(jì)算機(jī)。

近年來(lái)，浙江大學(xué)聚焦人類智能與機(jī)器智能等核心領(lǐng)域，實(shí)施了簡(jiǎn)稱為“雙腦計(jì)劃”的腦科學(xué)與人工智能會(huì)聚研究計(jì)劃，希望借鑒大腦結(jié)構(gòu)模型和功能機(jī)制，將腦科學(xué)的前沿成果應(yīng)用到人工智能等研究領(lǐng)域，建立引領(lǐng)未來(lái)的新型計(jì)算機(jī)體系架構(gòu)。

除打造類腦計(jì)算機(jī)外，該研究團(tuán)隊(duì)還研制了專門(mén)面向類腦計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)——達(dá)爾文類腦操作系統(tǒng)（DarwinOS），實(shí)現(xiàn)對(duì)類腦計(jì)算機(jī)硬件資源的有效管理與調(diào)度，支撐類腦計(jì)算機(jī)的運(yùn)行與應(yīng)用。目前，該類腦計(jì)算機(jī)已運(yùn)行多種智能任務(wù)，包括多機(jī)器人協(xié)同抗洪搶險(xiǎn)、聽(tīng)歌識(shí)曲、意念打字等。

2015 年和 2019 年浙江大學(xué)分別研制成功達(dá)爾文 1 代和達(dá)爾文 2 代類腦計(jì)算芯片，用芯片去模擬大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)與功能機(jī)制，在圖像、視頻、自然語(yǔ)言的模糊處理中具有優(yōu)勢(shì)。而這次的成果是將 792 顆我國(guó)自主產(chǎn)權(quán)的達(dá)爾文 2 代類腦計(jì)算芯片集成在 3 臺(tái) 1.6 米高的標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器機(jī)箱中，形成了一臺(tái)強(qiáng)大的機(jī)架式類腦計(jì)算機(jī)。

現(xiàn)有計(jì)算機(jī)大多基于馮·諾依曼架構(gòu)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與計(jì)算分離，但隨著摩爾定律趨緩，這一傳統(tǒng)架構(gòu)的局限性越來(lái)越明顯。數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)與計(jì)算單元間傳輸所帶來(lái)的通信帶寬、延遲和功耗，已成為影響當(dāng)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能提高的關(guān)鍵阻礙。

在研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授潘綱看來(lái)，這種計(jì)算模式制約了以大數(shù)據(jù)為代表的計(jì)算性能提升。

潘綱認(rèn)為，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能算法、訓(xùn)練需要海量樣本與密集計(jì)算，但舉一反三、自我學(xué)習(xí)等高級(jí)能力比較差，“現(xiàn)在的機(jī)器智能離人的智能差得還很遠(yuǎn)?！?/p>

全球科學(xué)家們就如何突破現(xiàn)有計(jì)算運(yùn)行方式導(dǎo)致的計(jì)算機(jī)瓶頸而言，將目光瞄準(zhǔn)到模仿生物大腦這個(gè)最初的夢(mèng)想，通過(guò)模擬人腦結(jié)構(gòu)與運(yùn)算機(jī)制來(lái)發(fā)展新的計(jì)算技術(shù)，以期實(shí)現(xiàn)高能效與高智能水平的計(jì)算。

這款達(dá)爾文類腦操作系統(tǒng)面向馮·諾依曼架構(gòu)與神經(jīng)擬態(tài)架構(gòu)的混合計(jì)算架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)異構(gòu)計(jì)算資源的統(tǒng)一調(diào)度和管理，為大規(guī)模脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算任務(wù)提供運(yùn)行和服務(wù)平臺(tái)。項(xiàng)目研究骨干呂攀介紹說(shuō)：“目前達(dá)爾文類腦操作系統(tǒng)的功能任務(wù)切換時(shí)間達(dá)微秒級(jí)，可支持億級(jí)類腦硬件資源管理。”

由此，類腦計(jì)算機(jī)研究的價(jià)值真正得以實(shí)現(xiàn)——既可以應(yīng)用于生活中的智能任務(wù)處理，也可以應(yīng)用于神經(jīng)科學(xué)研究，為神經(jīng)科學(xué)家提供更快更大規(guī)模的仿真工具，提供探索大腦工作機(jī)理的新實(shí)驗(yàn)手段。

別看現(xiàn)在的類腦計(jì)算機(jī)是個(gè)“大塊頭”，科學(xué)家們表示，隨著達(dá)爾文芯片及其他硬件的不斷迭代升級(jí)，體積縮小將指日可待。未來(lái)類腦計(jì)算機(jī)或?qū)⒅踩?a href="http://www.wenjunhu.com/v/tag/107/" target="_blank">手機(jī)、機(jī)器人，產(chǎn)生新的智能服務(wù)體驗(yàn)。

當(dāng)前，類腦計(jì)算研究仍處于初級(jí)階段，與真正的人類大腦還相差甚遠(yuǎn)。浙江大學(xué)和之江實(shí)驗(yàn)室研究員的目標(biāo)是，希望隨著神經(jīng)科學(xué)發(fā)展和類腦計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)軟件、工具鏈及算法的成熟，有朝一日能夠讓類腦計(jì)算機(jī)像馮·諾依曼架構(gòu)計(jì)算機(jī)一樣通用化，真正像大腦一樣高效工作，與馮·諾依曼架構(gòu)并存與互補(bǔ)，去解決不同的問(wèn)題。

與硬件上的更新相比，如何讓類腦計(jì)算機(jī)變得更聰明是科學(xué)家們下一步研究的重點(diǎn)。
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