基于ASIC芯片的硬件神經(jīng)元會如何改變?nèi)斯ぶ悄馨l(fā)展

隨著科學技術和生物學的不斷融合，基于ASIC的神經(jīng)網(wǎng)絡硬件正在成為解鎖下一級人工智能的開創(chuàng)性工具。ASIC芯片能高度模擬人類大腦進行信息處理，提高計算效率、降低能耗。本文將探討基于ASIC芯片的硬件神經(jīng)元會如何改變?nèi)斯ぶ悄馨l(fā)展。

人工智能（AI）芯片是支撐人工智能發(fā)展的核心技術之一，它的迭代升級推動了人工智能領域的飛速發(fā)展，對人類生活及生產(chǎn)產(chǎn)生了巨大的影響。根據(jù)Precedence Research數(shù)據(jù)顯示，22年全球AI芯片市場規(guī)模約為168.6億美金，隨著專用AI向通用AI的發(fā)展，以及AI應用領域持續(xù)拓寬、算力需求爆發(fā)等因素，預計2032年全球AI芯片市場規(guī)模將達到2,274.8億美金。另據(jù)McKinsey Analysis數(shù)據(jù)分析顯示，ASIC在AI芯片中的占比將大幅提升。在數(shù)據(jù)中心側，25年ASIC在推理/訓練應用占比分別達到40%、50%，在邊緣側，25年ASIC在推理/訓練應用占比分別達到70%、70%。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡（ANN）設計模擬了生物神經(jīng)元的特點，可以處理大型復雜的機器學習任務，可以說是推動人工智能快速發(fā)展的無名英雄。 ANN有著廣泛的應用，例如圖像、語音識別以及自然語言處理、汽車自動駕駛、醫(yī)療保健等。事實上ANN背后的概念和科學已經(jīng)存在了數(shù)十年，但是直到近幾年才引發(fā)了人工智能在多個領域的爆發(fā)式增長。

為充分了解ANN的潛在計算能力，我們需要了解神經(jīng)元的基本原理、硬件結構以及它在神經(jīng)網(wǎng)絡中的功能，并利用ASIC芯片或FPGA實現(xiàn)硬件結構優(yōu)化，從而實現(xiàn)更快的運算速度和更低的能耗，進而在人工智能領域取得更大的進步。

什么是神經(jīng)網(wǎng)絡硬件？

對人工智能的認識源于對神經(jīng)科學的深入理解。生物神經(jīng)元是神經(jīng)網(wǎng)絡的基本組成單位，由胞體、眾多樹突、單個軸突組成，信息由樹突接收，胞體處理之后以脈沖形式通過軸突向下一級神經(jīng)元傳遞。這種原理決定了模擬神經(jīng)元的神經(jīng)形態(tài)硬件天然具有存算一體的信息處理方式，在原理上具有非常高效的計算能力。

科學家將這個復雜的生物系統(tǒng)創(chuàng)建成一個簡單的數(shù)學模型，稱之為感知器，它為開發(fā)神經(jīng)網(wǎng)絡硬件掃清了道路（如下圖1）。與更為復雜、逼真的Izhikevich神經(jīng)元模型及Hodgkin Huxley神經(jīng)元細胞模型模型不同，感知器只能捕捉神經(jīng)元的基本行為，無法獲取生物學細節(jié)。

圖1：神經(jīng)形態(tài)硬件

乘積累加運算單元（MAC），硬件大腦

神經(jīng)網(wǎng)絡硬件的核心稱之為乘積累加運算單元（Multiplier Accumulator Unit, MAC）（如下圖2）。MAC模擬了神經(jīng)元樹突和細胞體的功能，對輸入信號進行接收并處理。

圖2：MAC示意圖

就像生物軸突突觸一樣，當輸入信號的累積強度超過預定義閾值時，MAC能輸出信號。MAC擁有強大的計算能力，能利用感知器數(shù)學模型，通過對加權輸入信號求和來反映神經(jīng)元的輸入，并產(chǎn)生最終輸出。

模擬神經(jīng)元，連接現(xiàn)實

圖3顯示了基于FPGA的小型神經(jīng)元網(wǎng)絡模擬結果，實驗使用兩個單比特輸入執(zhí)行邏輯OR運算，波形圖展示了神經(jīng)元如何對輸入的0和1組合做出反應。結果與我們的預期一致，當至少一個輸入為1時，輸出峰值為1，當兩個輸入均為0時，輸出降至0（如下輸入表1）。

圖3：硬件神經(jīng)元模擬波形結果

輸入表1

通過實驗可知，合成神經(jīng)元（如下圖4）能有效提高邏輯運算能力，是更為復雜的人工神經(jīng)網(wǎng)絡關鍵元素之一。

當前主流的用于AI的芯片可分為三類，GPU、FPGA以及ASIC。相較于GPU和FPGA，ASIC在運算速度、體積和功耗方面更具優(yōu)勢。此外，ASIC的另一個優(yōu)勢還在于其低延遲操作。在部署推理計算時，ASIC芯片可以更高效、更快、更準確地進行實時處理和分析數(shù)據(jù)，無需與云端進行持續(xù)通信，能為實時人工智能應用提供強大、高效的解決方案。

圖4：合成神經(jīng)元

ANN將如何改變我們的生活？

也許你對ANN人工神經(jīng)網(wǎng)絡這個名詞還不太熟悉，但它卻滲透在了我們的衣食住行中。例如能實時監(jiān)測環(huán)境溫度并自動調(diào)整室溫的自動化溫度控制系統(tǒng)（如下圖5）、智慧照明及智能鏡子（如下圖6）等，神經(jīng)形態(tài)芯片能提供更高的能效，快速喚起傳感器，滿足實際生活場景中各類嚴苛的需求。

圖6：智慧照明及智能鏡子

此外，ANN還可被廣泛應用于圖像識別、自然語言處理、自動駕駛、醫(yī)療診斷等多種應用場景。隨著數(shù)據(jù)量的增大和計算能力的提升，ANN在各個領域中的應用還在不斷擴展。未來，ANN有望成為推動人工智能技術進一步發(fā)展的重要驅動力。

ASIC設計領導廠商

Socionext在AI ASIC芯片設計領域也頗有建樹。2019年公司與人工智能方案商BrianChip合作開發(fā)了神經(jīng)網(wǎng)絡處理芯片Akida，以現(xiàn)有技術無法實現(xiàn)的方式將AI引入邊緣設備。這款基于事件的處理器無需主處理器或外部存儲器，能有效識別出視頻中的人臉、圖像、語音等信息，可適用于廣泛的邊緣計算應用場景。

Socionext在芯片設計領域擁有豐富的Know-how和經(jīng)驗，支持市面上最先進的工藝節(jié)點，在10nm/7nm/5nm工藝節(jié)點上有多個大型芯片項目設計經(jīng)驗，能為客戶量身定制所需芯片，提供從芯片前、后端設計、生產(chǎn)管理，一直到芯片硬件交付的全套業(yè)務，賦能客戶在核心算法和系統(tǒng)及市場上的核心價值，快速迭代出他們自己的芯片。

今年以來，ChatGPT的爆火代表著AI芯片技術的新一輪突破。隨著機器學習、邊緣計算等的快速發(fā)展，大量數(shù)據(jù)處理任務對計算效率、計算能耗等都提出了更高的要求，ASIC芯片正逐漸受到重視。作為SoC設計與應用技術的領導者，Socionext期望憑借自身的Know-how積累，并通過持續(xù)不斷地自主創(chuàng)新，助力客戶實現(xiàn)更高的創(chuàng)新發(fā)展。

審核編輯：劉清