普林斯顿大学的研究人员创造了一种新的芯片，它可以加速名为神经网络的人工智能系统，同时大幅降低功耗。这些芯片有助于将先进的应用带到汽车和智能手机等远程设备上。学分:贾红阳/普林斯顿大学为应对人工智能对计算机网络的爆炸式需求，普林斯顿大学的研究人员近年来大幅提高了专业人工智能系统的速度，并大幅削减了其能耗。现在，研究人员通过创造共同设计的硬件和软件，让设计者能够将这些新型系统融入到他们的应用中，从而使他们的创新更接近广泛使用。“软件是启用新硬件的关键部分，”普林斯顿大学电气和计算机工程教授、研究小组组长纳文·维尔马说。“希望设计师能继续使用相同的软件系统——并让它工作得快十倍或更高效。”
通过减少电力需求和从远程服务器交换数据的需求，使用普林斯顿技术制造的系统将能够将人工智能应用(如无人机导航软件或高级语言翻译器)带到计算基础设施的最前沿。
该大学凯勒工程教育创新中心主任维尔马说:“为了让人工智能能够被我们周围的实时且经常是个人的过程所利用，我们需要通过将计算本身移到边缘来解决延迟和隐私问题。”。“这需要能源效率和性能。”
两年前，普林斯顿研究团队制造了一种新芯片，旨在提高神经网络的性能，而神经网络是当今人工智能背后的精髓。这种芯片的性能比其他先进的微芯片好几十到几百倍，在几个方面标志着一种革命性的方法。事实上，这种芯片与用于神经网络的任何东西都大相径庭，给开发者带来了挑战。
维尔马在2018年的一次采访中说:“这种芯片的主要缺点是它使用了非常不寻常和颠覆性的架构。“这需要与我们目前拥有和使用的大量基础设施和设计方法相协调。”
新芯片基于模拟计算，它使用电路来模拟正在求解的方程，而不是像数字计算机一样生成1和0。功劳:贾红阳/普林斯顿大学在接下来的两年里，研究人员致力于改进芯片，并创建了一个软件系统，使人工智能系统能够利用ne w芯片的速度和效率。在2月22日举行的国际固态电路虚拟会议上，该论文的主要作者、维尔马研究实验室的研究生贾宏阳描述了新软件将如何让新芯片与不同类型的网络协同工作，并让系统在硬件和软件执行方面都具有可扩展性。
“所有这些网络都是可编程的，”维尔马说。“网络可以很大，也可以很小。”
维尔马的团队开发了这种新芯片，以应对对人工智能日益增长的需求以及人工智能给计算机网络带来的负担。人工智能允许机器模仿学习和判断等认知功能，在图像识别、翻译和自动驾驶汽车等新技术中发挥着至关重要的作用。理想情况下，无人机导航等技术的计算将基于无人机本身，而不是远程网络计算机。但是数字微芯片的功率需求和对存储器存储的需求会使设计这样一个系统变得困难。通常，该解决方案将大量计算和内存放在远程服务器上，该服务器与无人机进行无线通信。但这增加了对通信系统的要求，并在向无人机发送指令时引入了安全问题和延迟。
为了解决这个问题，普林斯顿的研究人员从几个方面重新思考了计算。首先，他们设计了一个芯片，可以在同一个地方进行计算和存储数据。这种被称为内存计算的技术，大大减少了与专用内存交换信息的能量和时间。这种技术提高了效率，但也带来了新的问题:因为它将两种功能塞进了一个小区域，内存中的计算依赖于模拟操作，而模拟操作对电压波动和温度尖峰等源的破坏很敏感。为了解决这个问题，普林斯顿团队使用电容器而不是晶体管来设计他们的芯片。电容器是储存电荷的器件，可以更精确地制造，并且不会受到电压变化的严重影响。电容器也可以非常小，并且放置在存储单元的顶部，增加了处理密度并降低了能量需求。
但是，即使在使模拟操作变得稳健之后，许多挑战仍然存在。模拟内核需要有效地集成到一个以数字为主的架构中，这样它就可以与其他功能和软件相结合，使实际系统正常工作。数字系统使用断断续续的软件来表示1和0，计算机工程师用它们来编写构成计算机程序的算法。模拟计算机采用完全不同的方法。哥伦比亚大学教授扬尼斯·齐维迪斯在《IEEE Spectrum》的一篇文章中，将模拟计算机描述为一个物理系统，该系统由与程序员想要求解的方程相同的方程来控制。例如，算盘是一种非常简单的模拟计算机。Tsividis说，一个桶和一根软管可以作为某些微积分问题的模拟计算机:为了解决一个积分函数，你可以做数学，或者你可以只测量桶里的水。
模拟计算是第二次世界大战期间的主导技术。它被用来执行从预测潮汐到指挥海军舰艇的功能。但是模拟系统建造起来很麻烦，通常需要训练有素的操作员。晶体管出现后，数字系统被证明更高效，适应性更强。但是新技术和新电路设计已经让工程师消除了模拟系统的许多缺点。对于神经网络等应用，模拟系统具有真正的优势。现在，问题是如何将两者的优点结合起来。维尔马指出，这两种系统是互补的。数字系统发挥着核心作用，而使用模拟芯片的神经网络可以极其快速有效地运行专门的操作。这就是为什么开发一个能够无缝高效地集成这两种技术的软件系统是如此关键的一步。
“我们的想法不是将整个网络放入内存计算，”他说。“你需要整合所有其他事情的能力，并以可编程的方式来完成。”
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