來(lái)源:《半導(dǎo)體芯科技》雜志文章

美國(guó)IBM公司最新推出一款類(lèi)腦芯片-NorthPole，將220億個(gè)晶體管封裝在僅800平方毫米的面積內(nèi)。這款芯片將其計(jì)算模塊與存儲(chǔ)信息的模塊交織在一起，允許每個(gè)計(jì)算核心像訪問(wèn)相鄰的存儲(chǔ)塊一樣輕松地訪問(wèn)遠(yuǎn)程存儲(chǔ)塊，大大加快了計(jì)算單元和存儲(chǔ)單元之間信息交換的速度。

據(jù)報(bào)道，NorthPole是受人腦機(jī)理啟發(fā)的芯片。受大腦啟發(fā)的電子產(chǎn)品經(jīng)常采用的一種策略是復(fù)制生物神經(jīng)元計(jì)算和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的方式，而將處理器和內(nèi)存結(jié)合起來(lái)可以顯著減少計(jì)算機(jī)在這些組件之間傳輸數(shù)據(jù)時(shí)損失的能量和時(shí)間。這也是在模仿人類(lèi)大腦以極其節(jié)能的方式快速執(zhí)行計(jì)算。

“大腦比現(xiàn)代計(jì)算機(jī)節(jié)能得多，部分原因是它在每個(gè)神經(jīng)元中都存儲(chǔ)著計(jì)算記憶。NorthPole融合了類(lèi)腦計(jì)算和硅優(yōu)化計(jì)算、計(jì)算和內(nèi)存、硬件和軟件之間的界限?！盜BM類(lèi)腦計(jì)算首席科學(xué)DHARMENDRA MODHA表示。

NorthPole建立在IBM之前的類(lèi)腦芯片TrueNorth基礎(chǔ)上，TrueNorth于2014年首次亮相，其功耗比當(dāng)時(shí)的傳統(tǒng)微處理器低四個(gè)數(shù)量級(jí)。經(jīng)過(guò)八年的開(kāi)發(fā)，NorthPole大幅降低了成本，速度大約是TrueNorth的4000倍。

Northpole采用了12nm工藝制造，在約800平方毫米的面積里放置了220億個(gè)晶體管，擁有256個(gè)計(jì)算單元內(nèi)核，在8-bit精度下每個(gè)計(jì)算單元每個(gè)周期可執(zhí)行2048次操作，如果換成4-bit或2-bit精度，操作次數(shù)則翻倍。

IBM研究院表示，由于芯片采用了ResNet-50神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，推理性能優(yōu)于所有主流架構(gòu)，超過(guò)了4nm工藝制造的GPU。根據(jù)IBM公司的測(cè)試結(jié)果：NorthPole在執(zhí)行人工智能任務(wù)時(shí)，與目前市場(chǎng)上同類(lèi)微芯片相對(duì)比，其速度達(dá)到其22倍，每瓦能效大約是其25倍，而占地面積卻只有五分之一。

Modha說(shuō)：新芯片的速度和效率來(lái)自于其所有內(nèi)存都位于芯片本身上。這意味著每個(gè)內(nèi)核都可以輕松地訪問(wèn)芯片上的內(nèi)存。而從外部來(lái)看，NorthPole像是一個(gè)活動(dòng)的存儲(chǔ)芯片，這有助于將NorthPole集成到系統(tǒng)中。

在傳統(tǒng)芯片架構(gòu)里，處理單元與儲(chǔ)存信息是相互分開(kāi)的，這樣雖然簡(jiǎn)化了芯片設(shè)計(jì)，但卻因傳輸速度不及處理速度出現(xiàn)“馮·諾伊曼瓶頸”。NorthPole在架構(gòu)上，模糊了計(jì)算和存儲(chǔ)之間的界限，使其更容易整合到系統(tǒng)中，而且明顯減少了主機(jī)的負(fù)載。

IBM認(rèn)為NorthPole的潛在應(yīng)用可能包括圖像和視頻分析、語(yǔ)音識(shí)別，以及作為大型語(yǔ)言模型基礎(chǔ)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（為ChatGPT等聊天機(jī)器人提供動(dòng)力）。而這些人工智能任務(wù)可能會(huì)應(yīng)用于自動(dòng)駕駛汽車(chē)、機(jī)器人、數(shù)字助理和衛(wèi)星觀測(cè)等領(lǐng)域。

科學(xué)家們指出，IBM采用12納米節(jié)點(diǎn)工藝制造NorthPole。目前CPU的最先進(jìn)技術(shù)已經(jīng)是3納米，這表明這種受大腦啟發(fā)的策略可能會(huì)帶來(lái)進(jìn)一步的收益。

IBM的科學(xué)家在2023年10月出版的《SCIENCE》雜志上詳細(xì)介紹了他們的研究成果。

審核編輯 黃宇