天网越来越近!Intel造了个1亿神经元的“大脑”

硬件世界 2020-03-20 00:00

Intel在神经拟态前沿研究上不断取得重大突破。

现在,Intel又宣布,迄今规模最大、性能最强的最新神经拟态研究系统“Pohoiki Springs”已准备就绪,可提供1亿个神经元的计算能力,这套基于云的系统可解决更大规模、更复杂的问题。

1亿个神经元是什么概念?一只瓢虫的大脑约有25-50万个神经元,蟑螂大脑约有100万个,斑马鱼大脑约有1000万个,1亿个神经元则相当于一个小型哺乳动物大脑的规模。

Pohoiki Springs是一个数据中心机架式系统,在一个5台标准服务器大小的机箱中,集成了多达768块Loihi神经拟态研究芯片,规模比以往扩展了750倍以上,同时功耗不到500瓦。

Intel Loihi处理器的设计思路来源于人脑,能用比传统处理器快1000倍的速度、高10000倍的效率,处理特定要求的工作负载。

Pohoiki Springs则是扩展Loihi架构的下一步,可用于评估解决AI问题以及一系列计算难题的潜力,与当今最先进的传统计算机相比,拥有超级并行性和异步信号传输能力,可以在明显降低功耗的同时显著提升性能。

Intel强调,这是在向支持更大、更复杂的神经拟态工作负载的道路上迈出的重要一步,为需要实时、动态的数据处理新方法的自主、互联的未来奠定了基础。

不过,Pohoiki Springs等神经拟态系统仍处于研究阶段,其设计目的也并非取代传统的计算系统,而是为研究人员提供一个工具,开发和表征新的神经启发算法,用于实时处理、问题解决、适应和学习。

在自然界中,即使是一些最小的生物也能解决极为困难的计算问题,比如很多昆虫大脑的神经元数目远低于100万个,但它们却能实时视觉跟踪物体、导航和躲避障碍物。

同样,Intel最小的神经拟态系统Kapoho Bay由两个具有262000个神经元的Loihi芯片组成,支持各种实时边缘工作负载,而且多才多艺:实时识别手势、使用新型人造皮肤阅读盲文、使用习得的视觉地标确定方向、学习新的气味模式。

更惊人的是,所有这些功能都只需要消耗数十毫瓦的电能。

迄今为止,这些小规模示例都显示了出极好的可扩展性,而在运行更大规模的问题时,Loihi比传统解决方案更加快速高效,这模仿了自然界中从昆虫大脑到人类大脑的可扩展性。

而就在日前,Intel研究院与美国康奈尔大学的研究人员在《自然-机器智能》(Nature Machine Intelligence)杂志上联合发表了一篇论文,展示了在存在明显噪声和遮盖的情况下,Intel神经拟态研究芯片“Loihi”学习和识别危险化学品的能力。

据介绍,Loihi只需要单一样本,就可以学会识别每一种气味,而且不会破坏它对先前所学气味的记忆,展现出了极其出色的识别准确率。

如果使用传统方法,即便最出色的深度学习方案,要达到与Loihi相同的气味分类准确率,学习每一种气味都需要3000倍以上的训练样本。

Intel研究院神经拟态计算小组高级研究科学家、拥有神经拟态计算博士学位的Nabil Imam介绍说,康奈尔大学负责研究动物的生物嗅觉系统,并测量动物闻到气味时的脑电波活动,然后Intel根据这些电路图与电脉冲,导出一套算法,并将其配置在神经拟态芯片上。

Imam带领团队采用了一个由72个化学传感器活动组成的数据集,可对一个风洞实验中循环的10种气体物质(气味)作出反应。传感器对各种气味的反应被传送至Loihi,由其芯片电路对嗅觉背后的大脑电路进行模拟。

在研究人员的指导下,Loihi已经迅速掌握了10种不同气味的神经表征,其中包括丙酮、氨和甲烷,而且即使有强烈的环境干扰也能准确识别。

而传统烟雾和一氧化碳探测器能使用传感器来探测气味,虽然能探测到空气中的有害分子并发出警报,但无法对各种气味进行区分。

英特尔神经拟态计算实验室高级研究科学家Nabil Imam表示:“我们正在Loihi上开发神经算法,来模拟人类嗅到气味时的大脑运行机制。这项工作堪称神经科学与人工智能技术交叉领域的当代研究典范,并且证实Loihi有望提供重要的感知能力,并惠及各行各业。”


Nabil Imam在位于美国加州圣克拉拉的神经拟态计算实验室中手持一块Loihi神经拟态测试芯片

Intel Loihi神经拟态芯片诞生于2017年9月,脱离传统硅芯片的冯诺依曼计算模型,而是模仿人脑原理的神经拟态计算方式,并且是异步电路,不需要全局时钟信号,而是使用异步脉冲神经网络(SNN),在特定应用中要比传统CPU速度快最多1000倍,能效高最多10000倍。

Intel Loihi芯片采用14nm工艺制造,集成21亿个晶体管,核心面积60平方毫米,内部集成3个Quark x86 CPU核心、128个神经拟态计算核心、13万个神经元、1.3亿个突触,并有包括Python API在内的编程工具链支持。

Intel宣称,在稀疏编码、图式搜索、路径规划、同时定位和建图(SLAM)、约束满足问题等特定应用中,Loihi要比传统CPU速度快最多1000倍,能效高最多10000倍。

2019年7月,Intel又宣布了代号“Pohoiki Beach”的全新神经拟态系统,包含多达64颗Loihi芯片,集成了1320亿个晶体管,总面积3840平方毫米,拥有800万个神经元、80亿个突触。

从理论上讲,Loihi可以扩展到最多16384颗芯片互连,那就是超过20亿个神经元——人类大脑有大约860亿个神经元。

只不过,Intel不打算真的这么做。


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