【導讀】比利時(shí)研究機構Imec認為,相較于使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò ),基于電阻和磁內存單元數組的機器學(xué)習加速器更有助于降低成本和功耗。例如,在其最初的研究結果顯示,磁阻式隨機存取內存(MRAM)數組可讓功率降低兩個(gè)數量級。
但這項具有前景的開(kāi)發(fā)工作仍處于初期階段。Imec預計要到今年稍晚提出專(zhuān)利申請后,才會(huì )發(fā)布更多有關(guān)該芯片的架構及其性能等細節。該研究機構從一年半以前開(kāi)始組成機器學(xué)習小組,期望擴展在其核心任務(wù)——芯片制程技術(shù)以外的更多相關(guān)研究。
在今年的Imec技術(shù)論壇(ITF2017)開(kāi)幕當天,研究人員們率先發(fā)布這款芯片,同時(shí)也介紹其于低功耗眼動(dòng)追蹤系統的最新進(jìn)展,以及一款可為義肢提供更高階觸覺(jué)反饋的植入式芯片。
在自我學(xué)習分類(lèi)任務(wù)方面,采用MRAM單元的Imec數組具有更高100倍的能源效率。Imec半導體技術(shù)與系統執行副總裁An Steegen表示:「整體而言,使用新興內存比基于CMOS的機器學(xué)習架構更節能?!?/div>
另一款芯片采用基于金屬氧化物電阻式隨機存取內存(ReRAM)的單元數組,Imec研究人員們稱(chēng)之為‘OxRAM’。 這款65nm的芯片經(jīng)由取得40首古典長(cháng)笛樂(lè )曲上的資料,學(xué)會(huì )了預測模式,然后再根據所學(xué)習的模式自行創(chuàng )作音樂(lè )。
新興內存的優(yōu)點(diǎn)在于能讓數據位儲存在同一個(gè)單元中,從而實(shí)現最小的晶粒尺寸。這種方法讓Imec更加期望有一天能將其整合于傳感器節點(diǎn)中,讓物聯(lián)網(wǎng)(IoT)應用得以從自我學(xué)習中受益。

圖1:Imec的自我學(xué)習芯片可望為成本和功耗受限的IoT節點(diǎn)帶來(lái)機器學(xué)習功能 (來(lái)源:Imec)
該芯片需要許多數組的層級架構以執行有利的工作。但 Imec尚未透露這款芯片上的數組大小。
負責這項開(kāi)發(fā)計劃的Praveen Raghavan說(shuō):「OxRAM一直用于內存儲存,但我們想將它用于兩個(gè)對象之間的隨機鏈接。該展示以饋入編碼機制作為輸入,并提供可能的預測,饋入地址并讀取預測作為輸出數據?!?/div>
「其優(yōu)點(diǎn)在于能實(shí)現極其密集的自我學(xué)習芯片——相形之下,IBM的True North的占位面積太大了。而且,這款極高密度且極低功耗的芯片是可以大量制造的,」他補充說(shuō)。
雖然不完全是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò ),但這種技術(shù)在應用方面類(lèi)似于可預測事件序列的長(cháng)短期記憶(LSTM)網(wǎng)絡(luò )。他說(shuō):「相較于LSTM加速器需要更多的數據以及一款用于訓練的較大GPU,這款OxRAM芯片的成本比更低?!?/div>
OxRAM途徑也適用于像生成對抗網(wǎng)絡(luò )(GAN)等應用;GAN是一種新興的技術(shù),讓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )之間互相對抗,以加快學(xué)習速度。
義肢觸覺(jué)與眼動(dòng)追蹤技術(shù)
此外,Imec還開(kāi)發(fā)了具有128個(gè)記錄電極和32個(gè)刺激電極的植入式神經(jīng)芯片硬件,可實(shí)現較現有裝置更多10倍的觸點(diǎn)數。這款芯片如今正在進(jìn)行動(dòng)物試驗,期望能提供較現有義肢更明顯有效的控制與觸覺(jué)反饋。
這款芯片能夠以數百毫秒(ms)的速度在大腦和義肢之間傳送訊號。雖然比人類(lèi)的神經(jīng)傳導速度更慢,但較當今的義肢所要求的秒數更快。

圖2:植入式芯片承諾更快的訊號傳送速度,從而實(shí)現更有效的義肢控制
然而,Imec至今僅開(kāi)發(fā)了硬件原型,尚未對于軟件進(jìn)行優(yōu)化。隨著(zhù)導線(xiàn)數量持續增加,未來(lái)可能會(huì )產(chǎn)生明顯的延遲。
該計劃是Imec與美國佛羅里達大學(xué)(University of Florida)合作的一部份,該?,F正進(jìn)行美國國防部先進(jìn)研究計劃署(DARPA)的一項研究計劃。
最后,Imec并展示提供眼動(dòng)追蹤技術(shù)的眼鏡,其方式是在眼睛周?chē)O測人腦與神經(jīng)訊號。截至目前為止,該系統的準確度還比不上目前基于攝影機的眼動(dòng)追蹤技術(shù)。不過(guò),它更有助于大幅降低成本與功耗。
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