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人類(lei)(lei)大(da)腦是(shi)一部極其高效(xiao)的(de)“計算機”，能(neng)(neng)舉(ju)一反三、融會(hui)貫通，可處理視覺(jue)、聽覺(jue)、語言、學習、推(tui)理、決策(ce)、規劃等各類(lei)(lei)任務。類(lei)(lei)腦計算即(ji)是(shi)將生物神(shen)經網絡(luo)的(de)工(gong)作機理應用于計算機系統(tong)設計中，構建像大(da)腦一樣(yang)的(de)低功耗(hao)、高并行、高效(xiao)率、智能(neng)(neng)化的(de)計算系統(tong)。
8月(yue)2日，浙(zhe)江(jiang)大學腦(nao)(nao)機智(zhi)能(neng)全國(guo)(guo)重點(dian)實驗室重磅發布最新(xin)研(yan)制的新(xin)一代(dai)神(shen)經擬態(tai)類(lei)(lei)腦(nao)(nao)計(ji)(ji)算機—Darwin Monkey(“悟(wu)空”)，這是國(guo)(guo)際上(shang)首臺(tai)神(shen)經元(yuan)規模(mo)超過20億的基于專(zhuan)用神(shen)經擬態(tai)芯(xin)片的類(lei)(lei)腦(nao)(nao)計(ji)(ji)算機，標志(zhi)著(zhu)我國(guo)(guo)在(zai)神(shen)經擬態(tai)類(lei)(lei)腦(nao)(nao)計(ji)(ji)算機領(ling)域(yu)已達到(dao)國(guo)(guo)際先(xian)進水平。
“悟空”來自何方？
整臺“悟空”由15臺刀(dao)片(pian)式(shi)神(shen)(shen)經(jing)擬(ni)態(tai)類(lei)(lei)腦(nao)服(fu)務(wu)器(qi)組(zu)成(cheng)，每一臺刀(dao)片(pian)式(shi)類(lei)(lei)腦(nao)服(fu)務(wu)器(qi)內部集成(cheng)了64顆(ke)達爾文3代類(lei)(lei)腦(nao)計算芯片(pian)。該(gai)芯片(pian)由浙(zhe)江(jiang)大學牽頭(tou)、聯合之江(jiang)實(shi)驗室于2023年初研(yan)制成(cheng)功，單顆(ke)支(zhi)持超過235萬脈(mo)沖神(shen)(shen)經(jing)元與(yu)億級(ji)神(shen)(shen)經(jing)突觸，并支(zhi)持類(lei)(lei)腦(nao)計算專用指令(ling)集和神(shen)(shen)經(jing)擬(ni)態(tai)在線學習機制。
達爾文3代類腦計算芯片
基(ji)于(yu)該芯(xin)片，“悟空”神(shen)經元數量已接近獼猴(hou)大腦(nao)規模(mo)，向更(geng)高級的類(lei)腦(nao)智能又(you)邁進(jin)了(le)一步，在典型運行狀態下功(gong)耗約為2000瓦。該項成果也是浙江大學(xue)類(lei)腦(nao)計算(suan)團隊繼2020年(nian)9月份研制成功(gong)我國首臺(tai)億級神(shen)經元類(lei)腦(nao)計算(suan)機Darwin Mouse(“米奇”)之后，取得又(you)一重要突破。
為(wei)了突破芯(xin)(xin)(xin)片間互連速度(du)與系統能效的(de)瓶頸(jing)，團隊聯合浙大集成(cheng)電路(lu)學(xue)院，利用2.5D先進(jin)封裝技術研制出晶(jing)圓(yuan)級超集成(cheng)類腦計算芯(xin)(xin)(xin)片DarwinWafer，并(bing)基于(yu)其搭建了晶(jing)上系統(System on Wafer，SoW)刀片服務(wu)器(qi)。整個SoW刀片式服務(wu)器(qi)主體僅僅包(bao)含一張集成(cheng)64顆(ke)達爾文3代類腦芯(xin)(xin)(xin)片裸片的(de)12寸(cun)晶(jing)圓(yuan)，擺脫了傳(chuan)統光罩的(de)物(wu)理(li)約(yue)束，實現導線微(wei)納尺(chi)度(du)的(de)互連優化。
晶上系統SoW集成方式的神經擬態類腦服務器
“悟空”能力幾何?
經過兩年多(duo)的(de)攻關，團隊(dui)在多(duo)項關鍵(jian)技(ji)術上取得了(le)突破：構(gou)建(jian)了(le)大規(gui)(gui)模(mo)神經元系(xi)統(tong)(tong)互(hu)連(lian)與(yu)集成架構(gou)，支持(chi)以(yi)多(duo)維網格為基(ji)本拓撲結(jie)構(gou)的(de)層次化(hua)、可擴(kuo)展芯(xin)(xin)片間(jian)互(hu)連(lian)；實現自適應(ying)時間(jian)步控制方法，支持(chi)大規(gui)(gui)模(mo)神經元之間(jian)的(de)任務協同運行(xing)；采用國(guo)產(chan)晶(jing)圓(yuan)基(ji)板工藝，基(ji)于CoWoS-S 2.5D先進封裝(zhuang)技(ji)術，實現晶(jing)圓(yuan)級類腦(nao)計(ji)算芯(xin)(xin)片；提出(chu)分層的(de)系(xi)統(tong)(tong)資源(yuan)管理框架，設計(ji)多(duo)級內存(cun)系(xi)統(tong)(tong)中(zhong)的(de)數據換入換出(chu)策略，實現對大規(gui)(gui)模(mo)神經元系(xi)統(tong)(tong)資源(yuan)的(de)管理與(yu)調度。
與(yu)(yu)此(ci)同時，為了充分(fen)釋(shi)放類腦計(ji)算機(ji)的(de)(de)能力(li)，團(tuan)隊還(huan)研制了新一代達爾文(wen)類腦操作系統(tong)。該系統(tong)采(cai)用分(fen)層(ceng)資源管理(li)架構(gou)，通過構(gou)建負(fu)載感知(zhi)調度算法與(yu)(yu)動(dong)態時間片劃分(fen)機(ji)制等技術，在考(kao)慮通信帶寬與(yu)(yu)任(ren)務特(te)征(zheng)的(de)(de)基(ji)礎(chu)上，實現了神經擬態任(ren)務的(de)(de)高效并發調度與(yu)(yu)系統(tong)資源的(de)(de)動(dong)態優(you)化。
類腦操作系統
在(zai)該類腦計算機(ji)上，團(tuan)隊已成(cheng)功部(bu)署多項智(zhi)能應用，不(bu)僅(jin)能夠(gou)運行(xing)DeepSeek類腦大(da)(da)模(mo)(mo)型完(wan)成(cheng)邏輯(ji)推理、內容生成(cheng)和數學求解等智(zhi)能任務，還(huan)憑(ping)借其強(qiang)大(da)(da)的(de)神(shen)(shen)經(jing)元和突觸資源，初步模(mo)(mo)擬了包括秀麗(li)線蟲、斑馬魚(yu)、小鼠以及獼(mi)猴等不(bu)同神(shen)(shen)經(jing)元規模(mo)(mo)的(de)動物大(da)(da)腦，為腦科學研(yan)究提供了新的(de)手段。
秀麗線蟲、斑馬魚、小鼠以及獼猴的大腦模擬圖
“悟空”類(lei)腦計算(suan)系(xi)統的(de)推(tui)出，是浙大類(lei)腦計算(suan)團隊(dui)在神經(jing)擬(ni)態計算(suan)領(ling)域的(de)又一(yi)次突(tu)破(po)，其大規模、高并(bing)行、低功耗(hao)等特點，將為現有的(de)計算(suan)場景提供新的(de)計算(suan)范式——
為人(ren)工智(zhi)能(neng)發展提(ti)供新的算(suan)力基座：類腦(nao)計算(suan)系統可以(yi)解決現有深度(du)網絡及大模型高能(neng)耗(hao)、高計算(suan)量的問題，同(tong)時(shi)其無人(ren)監督(du)的在線方式學習機制(zhi)能(neng)為人(ren)工智(zhi)能(neng)帶(dai)來(lai)革命性的進步；
作為腦(nao)模擬的(de)(de)天然平臺，助(zhu)力(li)腦(nao)科(ke)(ke)學的(de)(de)發展：在腦(nao)科(ke)(ke)學的(de)(de)研究方面，“悟空”能夠(gou)(gou)作為神(shen)經科(ke)(ke)學家研究腦(nao)的(de)(de)仿真工具，提(ti)供(gong)新的(de)(de)實(shi)(shi)驗手(shou)段探索大(da)腦(nao)工作機理(li)，用(yong)于更好(hao)地理(li)解大(da)腦(nao)，能夠(gou)(gou)減少真實(shi)(shi)的(de)(de)生物實(shi)(shi)驗；
推(tui)動通用人工智能的發展：人類的推(tui)理能力和(he)效率(lv)遠超(chao)當前人工智能，“悟(wu)空(kong)”計算機(ji)仿腦的工作機(ji)制和(he)超(chao)越(yue)人腦的運(yun)算速度，將(jiang)為(wei)未(wei)來類腦AI的研究(jiu)提(ti)供強大的支持(chi)。
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