一款理想的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片是什么樣的？按照工程師的說法，最重要的是在芯片本身上擁有大量的存儲(chǔ)空間。這是因?yàn)閿?shù)據(jù)傳輸（從主內(nèi)存到處理器芯片）通常消耗最多的能量，并且會(huì)產(chǎn)生大部分的系統(tǒng)滯后，即使與AI計(jì)算本身相比也是如此。

　　有鑒于此，Cerebras Systems通過制造一臺(tái)幾乎完全由一個(gè)包含18 GB內(nèi)存的大型芯片組成的計(jì)算機(jī)，解決了這些問題（統(tǒng)稱為內(nèi)存墻）。

　　但是法國，硅谷和新加坡的研究人員提出了另一種方法。

　　一家稱為Illusion的公司使用在硅邏輯之上構(gòu)建的3D堆棧中使用由電阻性RAM存儲(chǔ)器構(gòu)建的處理器來執(zhí)行相關(guān)操作，因此花費(fèi)很少的精力或時(shí)間來獲取數(shù)據(jù)。

　　僅憑其本身，還不夠，因?yàn)樯窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模越來越大，無法容納在一個(gè)芯片中。因此，該方案還需要多個(gè)此類混合處理器以及一種算法，該算法既可以智能地對(duì)處理器之間的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分割，還可以知道何時(shí)在閑置時(shí)迅速關(guān)閉處理器。

　　在測(cè)試中，八芯片版本的Illusion的能耗和延遲約為“理想”處理器的3-4％，該處理器在一塊芯片上具有所有需要的內(nèi)存和處理能力。

　　該研究團(tuán)隊(duì)（其中包括來自法國CEA-Leti研究實(shí)驗(yàn)室，F(xiàn)acebook，新加坡南洋理工大學(xué)，圣何塞州立大學(xué)和斯坦福大學(xué)的貢獻(xiàn)）受到了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不斷擴(kuò)大這一事實(shí)的推動(dòng)。

　　負(fù)責(zé)這項(xiàng)研究的斯坦福大學(xué)電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)教授Subhasish Mitra說：“從某種意義上講，這種理想的芯片永遠(yuǎn)無法使用，因?yàn)樗且粋€(gè)不斷發(fā)展的目標(biāo)。” 他說：“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)變得越來越快，其速度超過了摩爾定律。”

　　因此，他們?cè)O(shè)法設(shè)計(jì)一種系統(tǒng)，使它實(shí)際上是由多個(gè)混合處理器組成，它也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)帶有大量片上存儲(chǔ)器的單個(gè)處理器的錯(cuò)覺（illusion），因此他們將其命名為為項(xiàng)目名）。這樣，Illusin就可以輕松擴(kuò)展以適應(yīng)不斷增長的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

　　Mishra解釋說，這樣的系統(tǒng)需要做到三件事：

　　首先是芯片上的大量?jī)?nèi)存，可以快速訪問而幾乎不消耗能量。這就是集成3D的RRAM發(fā)揮功效的地方。他們選擇了RRAM，“因?yàn)樗敲芗模?D集成的，并且可以在掉電狀態(tài)下快速訪問，并且因?yàn)樗跀嚯姇r(shí)不會(huì)丟失數(shù)據(jù)， ” 斯坦福大學(xué)電氣工程學(xué)教授，該項(xiàng)目的合作者Philip Wong說。

　　但是RRAM確實(shí)有一個(gè)缺點(diǎn)。像Flash存儲(chǔ)器一樣，它被覆蓋過多次后就會(huì)損耗。在Flash中，軟件會(huì)跟蹤每個(gè)存儲(chǔ)單元塊發(fā)生了多少次覆蓋，并試圖保持該數(shù)量，即使在芯片中的所有單元中也是如此。斯坦福大學(xué)理論計(jì)算機(jī)科學(xué)家 Mary Wootters 領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊(duì)為RRAM發(fā)明了類似的東西。結(jié)果稱為Distributed Endurer，這增加了確保寫入時(shí)的磨損甚至跨越多個(gè)芯片的負(fù)擔(dān)。

　　即使使用Endurer混合RRAM和處理器芯片，但強(qiáng)大的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（例如當(dāng)今使用的自然語言處理器）仍然太大，讓我們無法將其容納在一個(gè)芯片中。然而使用多個(gè)混合芯片意味著在它們之間傳遞消息，消耗能量并浪費(fèi)時(shí)間。

　　Illusion團(tuán)隊(duì)的解決方案是其技術(shù)的第二部分，其解決方案是以使消息傳遞最小化的方式來切割神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)上是一組計(jì)算發(fā)生的節(jié)點(diǎn)以及連接它們的邊。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)將具有某些節(jié)點(diǎn)或節(jié)點(diǎn)的整個(gè)層，它們具有大量的連接。

　　但是網(wǎng)絡(luò)中也將存在阻塞點(diǎn)，即在節(jié)點(diǎn)之間必須傳遞少量消息的地方。在這些阻塞點(diǎn)上劃分大型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并將每個(gè)部分映射到單獨(dú)的芯片上，可確保從一個(gè)芯片到另一個(gè)芯片的數(shù)據(jù)傳輸量最少。Mitra說，Illusion映射算法“自動(dòng)識(shí)別切割神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的理想位置，以最小化這些消息。”

　　但是像這樣切割的東西有其自身的后果。

　　不可避免地，一種芯片會(huì)先于另一種芯片來完成其業(yè)務(wù)，這會(huì)拖延系統(tǒng)并浪費(fèi)功耗。其他嘗試運(yùn)行超大型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多芯片系統(tǒng)，則以使所有芯片持續(xù)忙碌的方式來劃分網(wǎng)絡(luò)，但這是以在它們之間傳輸更多數(shù)據(jù)為代價(jià)的。

　　在第三項(xiàng)創(chuàng)新中，Illusion團(tuán)隊(duì)決定設(shè)計(jì)混合處理器及其控制算法，以便可以快速關(guān)閉和打開芯片。因此，當(dāng)芯片等待工作時(shí)，它不會(huì)消耗任何功耗。

　　Mishra說，CEA-Leti的3D RRAM技術(shù)是制造3D SoC的關(guān)鍵，該SoC可以在幾個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完全關(guān)閉并重新啟動(dòng)而不會(huì)丟失數(shù)據(jù)。

　　該團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了八芯片版本的Illusion，并在三個(gè)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行了測(cè)試。這些網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)不及當(dāng)前正在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模，因?yàn)槊總€(gè)Illusion原型僅為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)保留了4 KB的RRAM。他們測(cè)試過的“理想芯片”實(shí)際上是一個(gè)模仿了完整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行的illusion 芯片。

　　8片幻覺系統(tǒng)能夠在理想芯片能耗的3.5％和2.5％的執(zhí)行時(shí)間內(nèi)運(yùn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。Mitra指出，該系統(tǒng)可以很好地?cái)U(kuò)展。有4 GB RRAM的64芯片illusion 方案的仿真也接近理想。

　　“我們已經(jīng)展開了新的更強(qiáng)大的原型設(shè)計(jì)”，斯坦福大學(xué)的研究生Robert Radway說。他們也將其發(fā)表在本周的自然電子上。與原型相比，下一代芯片將具有更大數(shù)量級(jí)的內(nèi)存和計(jì)算能力。雖然第一代經(jīng)過了推理的測(cè)試，但下一代將用于訓(xùn)練它們，這是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。

　　“總的來說，我們認(rèn)為illusion 對(duì)未來技術(shù)具有深遠(yuǎn)的影響，” Radway說。“它為技術(shù)創(chuàng)新開辟了廣闊的設(shè)計(jì)空間，并為未來的系統(tǒng)創(chuàng)造了新的擴(kuò)展途徑。”