把芯片做得像人脑:我蹲了3年实验室,终于看懂类脑计算到底在折腾啥

上周三我挤了一小时地铁,去南邮的传感网实验室找张师哥,刚推开门就看见实验台边摆着块指甲盖大的硅片,旁边的示波器屏幕上跳着细碎、不规则的尖峰——不是平时见惯了的芯片输出的方波,倒像我之前在神经科学公开课上看过的小鼠脑电信号。

张师哥看见我凑过去盯屏幕,用镊子点了点那块硅片:“别碰,刚焊好的类脑芯片,跑视觉识别呢,功耗才12毫瓦。”我当时第一反应是,这不就是个超低功耗的AI模块?他直接翻了个白眼,说我还是没摸到类脑计算的门道。

不是“抄人脑作业”,是换个逻辑搭电路

好多人第一次听类脑计算,第一反应是“要做个和人一样聪明的机器大脑”,其实真不是。

先给你算个现在普通芯片的账:我们手里的手机、电脑、服务器,全都是用的冯诺依曼架构——说穿了就是把“放数据的仓库”和“做计算的工作台”完全分开。你要跑个图像识别,得先把存在仓库里的图片数据,通过总线一趟趟搬到工作台上,算完识别结果,再把数据搬回仓库存着。

这个流程用了快80年,顺得不能再顺,但架不住现在的AI任务数据量太大了。之前看过一组公开的测试数据,跑同样的AI推理任务,光是来回搬数据耗的电,就占了总能耗的90%以上,真正用来做计算的电,连10%都不到。

而人脑呢?根本没有什么分开的仓库和工作台。每个神经元本身就带着存储和计算的能力,信号从一个突触传到下一个突触的时候,当场就把权重调整、计算完成了,根本不需要大老远把数据搬来搬去。类脑计算最核心的改变,就是把“存储计算分家”的老架构,换成了“每个计算单元自带存储、信号靠离散尖峰传递”的类神经逻辑。

类脑芯片神经突触阵列显微图
类脑芯片神经突触阵列显微图

我之前总觉得这种架构的改变离日常很远,直到张师哥给我举了个例子:如果把现在的AI芯片比作一个每次要把所有书搬到书桌前才能看书的人,类脑芯片就是把每一页书的内容直接印在了你翻书的手指上,手碰到哪页,当场就能读懂意思,根本不用来回跑书架。

太省了。

别被“造出人工大脑”的宣传骗了

说实话,我之前刷到过好多自媒体写类脑计算,字里行间都是“再过十年就能造出和人一样聪明的人工大脑”,第一次看的时候我差点把手里的冰美式喷在键盘上。

真没那么夸张。

现在全世界做出来的最复杂的类脑芯片,集成的神经元数量,大概也就和一只果蝇的大脑处于同一水平——对,就是夏天趴在你水果盘上的那个果蝇。之前清华做的那款天机芯,能装在自行车上实现自主避障、跟随行人的功能,当时上了《自然》杂志,好多人吹得神乎其神,说这是“通用人工智能的雏形”,其实它能做的事,比果蝇的本能反应简单多了。

搭载天机芯芯片的自动驾驶测试自行车
搭载天机芯芯片的自动驾驶测试自行车

我当时跟张师哥聊到这的时候,他靠在实验台边笑,说大家对类脑计算的误解,一半是觉得它无所不能,一半是觉得它是个换皮的AI芯片。

其实都不对。

我们根本不需要现在就造一个会写代码、会谈恋爱、会思考人生的人工大脑。人脑进化了几百万年才有的复杂认知能力,想靠现在的工程技术复刻,本来就是天方夜谭。我们现在做类脑计算,本质上是捡了人脑最容易学、也最有用的两个优势:一个是低功耗,一个是低延迟。

毕竟人脑满打满算一天的功耗才20瓦,就跟个床头小夜灯差不多,就能同时处理视觉、听觉、触觉的所有信号,还能顺便思考晚上吃什么。而现在跑一个大模型的推理,哪怕是在服务器上,功耗都能到几千瓦,差了好几个数量级。我们要学的,从来不是人脑的“智慧”,是它这套高效的运行逻辑。

说穿了,就是当我们原来的芯片架构已经快摸到能耗的天花板时,抬头看见旁边摆着个用了几百万年进化出来的高效样本,那就抄点能用的过来,解决实际问题就行。

现在的类脑计算,离我们的手机还有多远

每次跟身边的朋友聊起类脑计算,总有人问,那我什么时候能用上装了类脑芯片的手机?

实话说,还早。

最大的问题是生态。你现在买个新的手机芯片,不管是哪家的,所有的App、所有的AI模型,拿过来就能直接跑,根本不用重新写代码。但类脑芯片的计算逻辑和现在的芯片完全不在一个频道上——你要在类脑芯片上跑个任务,得把原来的代码全部拆碎,按照尖峰传递的逻辑重新写一遍,这个工作量,对于现在整个半导体行业来说,都是个不小的挑战。

还有就是精度问题。现在的类脑芯片,跑个简单的物体识别、异常检测任务,精度已经能跟传统芯片打个平手了,但你要是让它跑个复杂的大语言模型推理,就会发现精度差得不是一点半点——毕竟它的信号是离散的尖峰,不像传统芯片是连续的数值计算,天生就有精度上的权衡。

不过话说回来,这两年的进展真的快得超出我之前的预期。我记得三年前第一次来这个实验室的时候,他们做的第一版类脑芯片,跑个最简单的手写数字识别,还要外接个巴掌大的电源板,现在整个系统已经能缩到硬币大小,靠纽扣电池就能连续跑好几个月。

我上次临走的时候,张师哥跟我聊,说他刚读博的时候,整个行业都觉得冯诺依曼架构是永远不会变的金科玉律,谁能想到才过了十几年,大家都在拼命找新的架构方向。

我当时站在实验室的走廊里,听见身后示波器还在发出细碎的滴答声,屏幕上的尖峰一蹦一蹦的。

没有什么是永远不变的。

作者|科技

排版|科技

审核|满满

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