神經(jīng)形態(tài)計算的研究主要基于脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（SNN）模型，這是一種生物啟發(fā)的計算范式，旨在模擬大腦的信息處理機(jī)制。具體而言，該領(lǐng)域的目標(biāo)是通過融合神經(jīng)生物學(xué)和計算神經(jīng)科學(xué)的理論知識，構(gòu)建能夠?qū)崿F(xiàn)類人智能的計算系統(tǒng)。

為了解決傳統(tǒng)計算架構(gòu)在處理大量數(shù)據(jù)時面臨的效率瓶頸和高功耗問題，研究者們提出了基于人腦神經(jīng)元結(jié)構(gòu)的神經(jīng)形態(tài)芯片，以顯著提升計算效率和能效比。

中科院計算所趙地研究團(tuán)隊在2025年1月在《Journal of Supercomputing》上開源了一種創(chuàng)新的神經(jīng)形態(tài)處理器「開源類腦芯片」二代（Polaris 23），其核心優(yōu)勢在于實現(xiàn)了高數(shù)據(jù)吞吐量，并集成了具有反向傳播加速功能的定制化脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

論文地址：https://link.springer.com/article/10.1007/s11227-024-06826-y

源碼鏈接1：https://github.com/ByeBeihai/Polaris

源碼鏈接2：https://gitee.com/OpenBPU/OpenBPU2

「開源類腦芯片」二代（Polaris 23）主要包括兩個部分：神經(jīng)形態(tài)處理單元、神經(jīng)形態(tài)指令處理器。

主要技術(shù)參數(shù)如下：

「開源類腦芯片」二代（Polaris 23）的神經(jīng)形態(tài)處理單元包含了神經(jīng)形態(tài)自定義SNN指令擴(kuò)展集：RV-SNN 2.0，并包括三個組成部分：SNN發(fā)射單元、LIF神經(jīng)元更新單元、突觸計算單元。

「開源類腦芯片」二代（Polaris 23）的神經(jīng)形態(tài)指令處理器包括：發(fā)射單元（ISU），執(zhí)行單元（EXU）和寫回單元（WBU）。

為了提高處理神經(jīng)元和突觸的能力，「開源類腦芯片」二代（Polaris 23）的神經(jīng)形態(tài)指令處理器設(shè)計了多發(fā)射架構(gòu)。例如，在雙發(fā)射模式下，神經(jīng)形態(tài)指令處理器可以同時執(zhí)行兩條神經(jīng)形態(tài)指令：

為了提高處理神經(jīng)元和突觸的能力，神經(jīng)形態(tài)指令處理器還設(shè)計了并行執(zhí)行架構(gòu)。

其中，發(fā)射單元（ISU）實現(xiàn)了圓形隊列架構(gòu)：

神經(jīng)形態(tài)指令處理器的執(zhí)行單元（EXU）實現(xiàn)了可并行執(zhí)行的架構(gòu)：

神經(jīng)形態(tài)指令處理器的寫回單元（WBU）設(shè)計了多提交端口。

目前，開源的神經(jīng)形態(tài)芯片包括：比利時Catholique de Louvain大學(xué)的ODIN脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器、中科院計算所的開源類腦芯片「文曲星」系列等。

為了驗證「開源類腦芯片」二代（Polaris 23）的性能，和比利時Catholique de Louvain大學(xué)的ODIN脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器同時部署在FPGA上（AMD ALVEO U250卡），并進(jìn)行了比較。

在神經(jīng)元帶寬方面，「開源類腦芯片」二代（Polaris 23）的帶寬相較于比利時Catholique de Louvain大學(xué)的ODIN脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器提高約300倍：

在能效方面（資源帶寬比、功耗帶寬比），「開源類腦芯片」二代（Polaris 23）的帶寬相較于比利時Catholique de Louvain大學(xué)的ODIN脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器有明顯的提升：

「開源類腦芯片」二代（Polaris 23）部署還在FPGA開發(fā)板上（Kintex-7 XC7K70T），并測試脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類。實驗結(jié)果表明，「開源類腦芯片」二代（Polaris 23）在性能指標(biāo)上實現(xiàn)了顯著突破，并在MNIST數(shù)據(jù)集上獲得了91%的準(zhǔn)確率。

開發(fā)團(tuán)隊

「開源類腦芯片」二代（Polaris 23）培養(yǎng)了一支有創(chuàng)造力的開發(fā)團(tuán)隊：主開發(fā)者宗吉祥同學(xué) （https://github.com/ByeBeihai）現(xiàn)在就讀于中科院計算所，團(tuán)隊成員王九龍同學(xué)現(xiàn)就讀于德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)，李桂潤同學(xué)現(xiàn)在就讀于深圳大學(xué)，吳若樸同學(xué)現(xiàn)就讀于荷蘭代爾夫特理工大學(xué)，指導(dǎo)教師趙地副研究員獲得2023年度「中國科學(xué)院大學(xué)優(yōu)秀本科生指導(dǎo)教師」獎。

2024年，開源類腦芯片「文曲星」系列的工作受到了國家自然科學(xué)基金資助，「開源類腦芯片」二代（Polaris 23）正在進(jìn)行后端設(shè)計與流片。

中科院計算所趙地團(tuán)隊正在研究「開源類腦芯片」三代，將包括全新的類腦學(xué)習(xí)算法和更強(qiáng)的多核神經(jīng)元和突觸處理能力。