國際首台神經元規模超20億的基於專用神經擬態芯片類腦計算機研製成功

微信公眾號“浙江大學”8月2日消息，人類大腦是一部極其高效的“計算機”，能舉一反三、融會貫通，可處理視覺、聽覺、語言、學習、推理、決策、規劃等各類任務。類腦計算即是將生物神經網絡的工作機理應用於計算機系統設計中，構建像大腦一樣的低功耗、高並行、高效率、智能化的計算系統。

8月2日，浙江大學腦機智能全國重點實驗室重磅發佈最新研製的新一代神經擬態類腦計算機—Darwin Monkey（“悟空”），這是國際上首台神經元規模超過20億的基於專用神經擬態芯片的類腦計算機，標誌着我國在神經擬態類腦計算機領域已達到國際先進水平。

“悟空”來自何方？

整台“悟空”由15台刀片式神經擬態類腦服務器組成，每一台刀片式類腦服務器內部集成了64顆達爾文3代類腦計算芯片。該芯片由浙江大學牽頭、聯合之江實驗室於2023年初研製成功，單顆支持超過235萬脈衝神經元與億級神經突觸，並支持類腦計算專用指令集和神經擬態在線學習機制。

達爾文3代類腦計算芯片

基於該芯片，“悟空”神經元數量已接近獼猴大腦規模，向更高級的類腦智能又邁進了一步，在典型運行狀態下功耗約為2000瓦。該項成果也是浙江大學類腦計算團隊繼2020年9月份研製成功我國首台億級神經元類腦計算機Darwin Mouse（“米奇”）之後，取得又一重要突破。

為了突破芯片間互連速度與系統能效的瓶頸，團隊聯合浙大集成電路學院，利用2.5D先進封裝技術研製出晶圓級超集成類腦計算芯片DarwinWafer，並基於其搭建了晶上系統（System on Wafer，SoW）刀片服務器。整個SoW刀片式服務器主體僅僅包含一張集成64顆達爾文3代類腦芯片裸片的12寸晶圓，擺脱了傳統光罩的物理約束，實現導線微納尺度的互連優化。

晶上系統SoW集成方式的神經擬態類腦服務器

“悟空”能力幾何？

經過兩年多的攻關，團隊在多項關鍵技術上取得了突破：構建了大規模神經元系統互連與集成架構，支持以多維網格為基本拓撲結構的層次化、可擴展芯片間互連；實現自適應時間步控制方法，支持大規模神經元之間的任務協同運行；採用國產晶圓基板工藝，基於CoWoS-S 2.5D先進封裝技術，實現晶圓級類腦計算芯片；提出分層的系統資源管理框架，設計多級內存系統中的數據換入換出策略，實現對大規模神經元系統資源的管理與調度。

與此同時，為了充分釋放類腦計算機的能力，團隊還研製了新一代達爾文類腦操作系統。該系統採用分層資源管理架構，通過構建負載感知調度算法與動態時間片劃分機制等技術，在考慮通信帶寬與任務特徵的基礎上，實現了神經擬態任務的高效併發調度與系統資源的動態優化。

類腦操作系統

在該類腦計算機上，團隊已成功部署多項智能應用，不僅能夠運行DeepSeek類腦大模型完成邏輯推理、內容生成和數學求解等智能任務，還憑藉其強大的神經元和突觸資源，初步模擬了包括秀麗線蟲、斑馬魚、小鼠以及獼猴等不同神經元規模的動物大腦，為腦科學研究提供了新的手段。

秀麗線蟲、斑馬魚、小鼠以及獼猴的大腦模擬圖

“悟空”類腦計算系統的推出，是浙大類腦計算團隊在神經擬態計算領域的又一次突破，其大規模、高並行、低功耗等特點，將為現有的計算場景提供新的計算範式——

為人工智能發展提供新的算力基座：類腦計算系統可以解決現有深度網絡及大模型高能耗、高計算量的問題，同時其無人監督的在線方式學習機制能為人工智能帶來革命性的進步;

作為腦模擬的天然平台，助力腦科學的發展：在腦科學的研究方面，“悟空”能夠作為神經科學家研究腦的仿真工具，提供新的實驗手段探索大腦工作機理，用於更好地理解大腦，能夠減少真實的生物實驗；

推動通用人工智能的發展：人類的推理能力和效率遠超當前人工智能，“悟空”計算機仿腦的工作機制和超越人腦的運算速度，將為未來類腦AI的研究提供強大的支持。