Обзор и сравнительные характеристики нейрочипов

1.4 Обзор и сравнительные характеристики нейрочипов

Основной элементной базой перспективных нейровычислителей являются нейрочипы. Их производство ведется во многих странах мира, причем большинство из них на сегодня ориентированы на закрытое использование (то есть создавались для конкретных специализированных управляющих систем). Прежде чем перейти к рассмотрению наиболее интересных нейрочипов, остановимся на их классификации. По способу представления информации нейрочипы можно разделить на цифровые, аналоговые и гибридные.

По типу реализации нейроалгоритмов: нейрочипы с полностью аппаратной реализацией и с программно-аппаратной (когда нейроалгоритмы хранятся в ПЗУ).

По характеру реализации нелинейных преобразований: на нейрочипы с жесткой структурой нейронов (аппаратно реализованные) и нейрочипы с настраиваемой структурой нейронов (перепрограммируемые).

По возможностям построения нейросетей: нейрочипы с жесткой и переменной нейросетевой структурой.

В отдельные классы следует выделить так называемые систолитические и нейросигнальные процессоры.

Систолические процессоры (процессорные матрицы) - это чипы, как правило, близкие к обычным RISC-процессорам и объединяющие в своем составе некоторое число процессорных элементов. Вся же остальная логика, как правило, должна быть реализована на базе периферийных схем.

У нейросигнальных процессоров ядро представляет собой типовой сигнальный процессор, а реализованная на кристале дополнительная логика обеспечивает выполнение нейросетевых операций (например, дополнительный векторный процессор и т.п.).

Разработка нейрочипов ведется во многих странах мира. На сегодня выделяют две базовые линии развития вычислительных систем с массовым параллелизмом (ВСМП): ВСМП с модифицированными последовательными алгоритмами, характерными для однопроцессорных фоннеймановских алгоритмов и ВСМП на основе принципиально новых сверхпараллельных нейросетевых алгоритмов решения различных задач (на базе нейроматематики).

Рассмотрим популярные нейрочипы.

Нейросигнальный процессор NEUROMATRIX NM6403 (фирма "Модуль", Россия)

 Основой NeuroMatrix NM6403 является процессорное ядро NeuroMatrixCore (NMC), которое представляет собой синтезабильную модель высокопроизводительного DSP-процессора с архитектурой VLIM/SIMD (язык Ver ilog). Ядро состоит из двух базовых блоков: 32-бит RISC-процессора и 64-бит векторного процессора, обеспечивающего выполнение векторных операций над данными переменной разрядности (патент РФ.N2131145). Имеются два идентичных программируемых интерфейса для работы с внешней памятью различного типа и два коммуникационных порта, аппаратно совместимых с портами ЦПС TMS320C4x, для возможности построения многопроцессорных систем.Вид нейрочипа NM6403 представлен на рисунке 1.4.-1.

 

Рисунок 1.4.-1 Нейрочип NM6403.

Основные характеристики:

тактовая частота - 40 MГц;

- 0,5-мкм КМОП-технология;

- корпус 256BGA;

- напряжение питания от 2,7 до 3,6 В;

- потребляемая мощность около 1,3 Вт при 50 МГц;

- условия эксплуатации: -60...+85C.

Процессор NeuroMatrix NM6404. NeuroMatrix NM6404 представляет собой высокопроизводительный DSP-ориентированный RISC-микропроцессор. В его состав входят два основных блока: 32-разрядное RISC-ядро и 64-разрядное VECTOR-сопроцессор для поддержки операций над векторами с элементами переменной разрядности. NM6404 по системе команд совместим с предыдущей версией NM6403. Имеются два идентичных программируемых интерфейса для работы с внешней памятью различного типа и два коммуникационных порта, аппаратно совместимых с портами ЦПС TMS320C4x, для возможности построения многопроцессорных систем.

Особенности:

- тактовая частота - 133 MГц (8 нс - время выполнения любой инструкции);

- 0,25-мкм КМОП-технология;

- корпус PQFP256;

- напряжение питания - 2,5, 3,3, 5 В;

- потребляемая мощность - около 1,0 Вт;

- условия эксплуатации: -40...+80C.

NNP (Accurate Automation Corp.).

Процессор NNP (Neural Networks Processor ) построен по MIMD-архитектуре, то есть состоит из нескольких миниатюрных процессоров, работающих параллельно. Каждый из них представляет собой быстрый 16-разрядный вычислитель с памятью для хранения синаптических весов. Процессор имеет всего 9 простых команд. Процессоры на кристалле связаны друг с другом локальной шиной. NNP создан в коммерческих целях и доступен на рынке.

В комплект поставки процессора включены средства разработки программ, а также библиотека подпрограмм с реализованными нейросетевыми алгоритмами, такими как сети Хопфилда, сети Кохенена и другими.

Процессор выпускается на платах под шины ISA, VME. Производительность: 140 MCPS - для однопроцессорной системы и 1,4 GCPS - для 10-процессорной системы.

Нейропроцессор МА16 (Siemens).

МА16 изготовлен по 1-мкм КМОП-технологии, состоит из 610 тыс. транзисторов и выполняет до 400 млн. операций умножения и сложения в секунду. Используется в качестве элементной базы нейрокомпьютера Synaps 1 и нейроускорителей Synaps 2 и Synaps 3 (распространяемых сегодня на рынке французской фирмой TIGA TECHNOLOGIES).

МА16 представляет собой программируемый каскадируемый процессор для векторных и матричных операций. Он поддерживает на аппаратном уровне следующие операции:

- матричное умножение;

- матричное сложение/вычитание;

- нормировка результата;

- вычисление векторной нормы (метрики L1 и L2);

- вычисление векторного расстояния (мера Манхэттэна, геометрическое расстояние).

Процессор содержит 4 идентичных процессорных элемента, работающих параллельно. Входные данные имеют точность 16 бит, тактовая частота - 50 мГц. Для операций матричного умножения/сложения скорость вычислений достигает 8ґ10 8 операций/с. Программное обеспечение работает в среде UNIX/XWIND и реализовано на C++. Нейронная сеть тоже описывается на С++ или может вводится интерактивно с помощью графического интерфейса типа OSF/Motif, что позволяет визуализировать конфигурацию чипа после отображения на него структуры сети. Хорошо развиты средства тестирования и эмуляции. С 1995 года МА16 является коммерчески доступным продуктом.

MD1220 (Micro Devices).

Цифровой нейрочип MD1220 фирмы MICRO DEVICES содержит 8 нейронов с 8 связями и 16-разрядные сумматоры. Во внутрикристальной памяти хранятся 16-разрядные веса. Входы имеют одноразрядные последовательные умножители с продолжительностью такта 7,2 мкс. Средняя производительность - около 9 MCPS.

L-Neuro (Philips).

Нейропроцессор L-Neuro фирмы PHILIPS - один из первых нейропроцессоров. На сегодня широко известны две его модификации: L-Neuro 1.0 и L-Neuro 2.3. Вторая версия имеет 12 слоев, а первая - один слой из 16 одноразрядных, или двух 8-разрядных, или 4 4-разрядных, или двух 8-разрядных процессорных элементов, то есть имеет возможность работать в мультиразрядном режиме. На кристалле реализован 1 Кбайт памяти для хранения 1024 8-разрядных или 512 16-разрядных весов. Гибкая каскадируемая структура нейрочипа позволяет использовать его при реализации различных нейросетевых парадигм. При реализации 64 8-разрядных процессорных элементов средняя производительность составляет 26 MCPS (32 MCUPS).