类脑计算:那颗芯片大部分时间在睡觉,只在有事时醒几毫秒

凌晨三点,实验室没人。

一块芯片的功耗曲线趴在最低处,几乎是一条直线。摄像头对着空走廊,什么也没发生。它就那么待着,像睡着了。

然后有人从画面边缘走过去。几个毫秒之内,它醒了,处理完那一小团变化,又睡回去。

这不是未来学演讲里的场景。事件相机加神经形态芯片这套组合,实验室里已经跑了不少年。只不过它不太上新闻——因为它做的事情太“无聊”了:大部分时间什么都不干。

数据住在两个地方,这事一直挺别扭

我们现在的电脑,是冯·诺依曼那一套:计算单元和存储单元分家。要算一个数,得先从内存里把数搬到CPU,算完再搬回去。

问题出在搬。搬数据比算数据费电,而且费得多。芯片里那些漂亮的晶体管,很大一部分时间是在等数据,或者在排队等总线。

人脑不这么干。突触既是存储也是计算,权重就长在连接上,信号过来的时候直接在那根“线”上完成加权。整个大脑的功率大概二十瓦出头,跟一盏老式白炽灯差不多,还能一边看路、一边聊天、一边控制平衡。

这两件事摆在一起,就会让人忍不住想:能不能换个组织方式?

脉冲、稀疏、异步,说的其实是同一件事

先看最基本的差别。现在的神经网络里,神经元输出的是一个浮点数,0.73、2.15,密密麻麻地往下传。人脑里的神经元不干这个,它只决定发还是不发。发了是一个脉冲,没发就是安静。

这一下就把世界换了。

因为没发的那些神经元,是真的不用动。生物大脑里绝大多数神经元在绝大多数时间沉默——这叫稀疏。稀疏之后,电路就可以异步:不用等一个全局时钟滴答,谁有脉冲谁干活,干完就歇。省电的秘密在这儿,不在什么玄学材料。

硬件上有几条不同的走法。有的用数字CMOS老老实实搭脉冲电路,可控,但没那么省;有的往模拟电路上靠,想把乘加塞进基尔霍夫定律里;还有的盯着忆阻器、相变材料这类器件,让“存”和“算”长在同一块材料上。听着浪漫,实际上良率、一致性、漂移,全是坑。

神经形态芯片脉冲神经网络突触阵列结构示意图
神经形态芯片脉冲神经网络突触阵列结构示意图

容易走偏的几个地方

容易走偏的几个地方
容易走偏的几个地方

有人以为类脑计算就是造一个大脑。不是。它借的是组织方式——稀疏、事件驱动、存算一体——不是解剖结构。没人真去复刻皮层那几层。

另一个误解:以为必须彻底抛弃深度学习。现实里更多是混着用。清华那颗天机芯就是异构融合的思路,同一块芯片上,人工神经网络和脉冲神经网络各跑各的,需要哪个用哪个。

还有一种,我觉得误会最深:觉得它是来取代GPU的。短期内真不是。GPU擅长稠密、规整、大批量的矩阵运算。类脑芯片的甜区在另一头——传感器旁边、边缘设备上、需要常年开机却绝大多数时间无事发生的场合。

几条可以查的时间线

2014年,IBM放出TrueNorth,百万神经元级别的规模,当年挺轰动。但编程门槛高,真正用起来的人不多,热闹一阵就安静了。

差不多同期,曼彻斯特那边走了条“笨路”:用一大堆ARM核硬生生地实时模拟脉冲,SpiNNaker。2018年那台百万核的机器上线。笨是笨,但真能跑。

2019年8月,清华施路平团队的天机芯成了Nature封面。那颗芯片同时跑两类网络,还控制一辆自行车做平衡和避障。很多人是从那篇报道里第一次听说“类脑”这个词。

Intel的Loihi,2017年出来,2021年更新到Loihi 2,配套开源框架Lava,社区慢慢在长。近两年忆阻器存内计算的论文也在堆。

清华大学天机芯类脑计算芯片实物照片
清华大学天机芯类脑计算芯片实物照片

几个我被问烦了的问题

那它到底省不省电?

看场景。稀疏事件流下确实省,因为大部分单元根本没在动。可你让它跑稠密的矩阵乘法,它未必打得过一块成熟的GPU。省电的来源是“少干活”,不是魔法。

我能用Python写吗?

能,但手感不一样。你写的不是一行行顺序执行的指令,而是在描述一个网络和它的发放规则。调试的时候盯着脉冲栅格图,密密麻麻的点阵,靠眼睛找规律。说实话有点玄学,习惯了会上瘾。

什么时候手机里全是这玩意儿?

别急。工具链在补课,精度在补课,生态更是在补课。它更可能先在耳机、手表、机器人关节、车载感知这些地方悄悄冒头,你压根不知道它在那儿。

说点不讨喜的

这个词现在很容易变成PPT素材。贴上“颠覆”“革命”几个大字,然后没了下文。真在做的人其实挺安静的,天天调阈值、调权重、对着示波器看波形,一行行翻日志。

它的想象空间不在于一夜之间替代谁。

而在于——让机器在绝大多数什么都没发生的世界里,安安静静地待着。不巡检,不空转,不为了那个“万一有事”就把整条流水线烧着。

等到真有事的那一下,它醒过来。

那一醒,才是它值钱的地方。

作者|科技

排版|科技

审核|小北

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