世界最小計算機整合入深度學習網路，物聯網應用再獲突破

計算機在人們的生活中並不陌生，無論是體型巨大的伺服器還是如今十分流行的智能手機，不一而足。但在深度學習技術日益精進、物聯網市場逐漸壯大的今天，微型化已經成了計算機新的發展方向，各地的科研人員也對這一新的科技制高點展開了爭奪。

密歇根大學計算機科學系的全體教員和學生研發十多年的「微塵（micromote）」計算機已經被證明為是全世界最小的計算機，它因體積僅1立方毫米而被命名為M^3（Michigan Micro Mote）

和小巧的體積相比，當前這個「智能」風起雲湧的時代給了「微塵」更大的想像空間，這個小傢伙可謂「生來恰逢其時，必將大展身手」。

物聯網呼喚小巧節能的計算感測器

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在 2 月 5 日到 9 日於舊金山舉辦的IEEE國際固態電路會議（ISSCC）上，Blaauw和同事Dennis Sylvester攜手提交了十篇關於這種「微塵（micromote）」計算機的論文，而他二人都是美國密歇根大學的計算機專家。

ISSCC是世界上規模最大、水平最高的固態電路國際會議，長期以來代表著全球固態電路領域研發趨勢的領先風向，已成為國際公認的晶元領域的「奧林匹克運動會」。

其實，在過去數年間，Blaauw和Sylvester一直在努力推動計算機的小型化發展，提交了多款此類微型設備的不同「變體」。他們更遠大的目標是為醫療設備和物聯網研製出更智能、更小巧且能耗更低的感測器。用Sylvester的話來講就是，「如果我們能將微型計算機送入細胞內，那我們就能將科幻小說的場景變為現實。」

而現在，很多話筒、照相機以及構成智能設備「耳目」的其他感測器不間斷地獲取數據，並定期將私人數據輸送到雲端，因為它們自己不能對這些私人數據進行分析。有人預測，到2035年，大約有1萬億台這樣的智能設備。Blaauw說：「如果這1萬億台設備不間斷地產生讀數，那麼，我們將淹沒在數據的海洋中」。

有鑒於此，Blaauw和Sylvester希望，能夠研製出一些自己能對數據進行分析、「體型」小且能效高的計算感測器，從而使這些智能設備更安全、更節能。

擴大內存的同時降低功耗

在此次ISSCC會議上，兩人描述稱，他們的「微塵」計算機只需耗費幾納瓦（毫微瓦，10-9瓦），就可執行諸如辨別過往汽車的聲音、測量溫度和亮度等任務。

他們展示的一款小型無線電接收機能從這些「微塵」計算機發送數據給20米遠的接收器，與過去相比有了很大的提升。要知道，在去年的ISSCC會議上，他們報告的距離僅50厘米。

此外，他們也與台積電（TSMC）開展了合作，將快閃記憶體嵌入「微塵」計算機內。

以前版本的「微塵」計算機使用8KB的靜態隨機存取存儲器（SRAM），這種存儲器一般適用於性能極低的計算機。

為了閱讀視頻和聲音，他們的微型計算機需要更多存儲空間。因此，他們同台積電合作，在「微塵」計算機內加入了快閃記憶體。現在，他們能造出擁有1MB存儲空間的微型計算機。

Blaauw和Sylvester解釋說，與SRAM相比，同樣的空間，快閃記憶體存儲的數據更多，但在將內容寫到存儲器上時，快閃記憶體要耗費大量能量。有鑒於此，他們與台積電攜手設計了一種新的存儲陣列，這種陣列使用一種更高效的電荷泵來進行寫操作。

與台積電的商用產品相比，這些存儲陣列的緻密性要差一點，但仍然好過SRAM。Sylvester說：「我們用更小的犧牲，換得更多。」

整合深度學習處理器

此外，Blaauw和Sylvester在本次ISSCC會議上提交的另一款「微塵」計算機則整合了一款深度學習處理器，這個處理器可運行名為「深度神經網路（deep neural networks）」的人工智慧演算法，且只需288微瓦（10-6瓦）。

深度神經網路這種人工智慧演算法能很好地執行臉部識別和語音識別任務，但一般而言，運行它們需要很大的存儲空間以及處理能力，因此，它們一般運行在多台配備有先進圖像處理單元（GPU）的伺服器上。

很多研究人員一直在嘗試縮小專門用於運行人工智慧演算法的硬體的體積和功率，但再怎麼努力，壓縮後的處理器的功率也超過50毫瓦——遠多於一款「微塵」計算機的功率。

現在，Blaauw和Sylvester另闢蹊徑，重新設計晶元架構。例如，在存儲器（此處使用的是ARAM）內放置四個處理元件以減少數據的傳輸，從而降低了功率需求。

他們還希望進一步將神經網路引入物聯網。Blaauw表示，監控攝像機和其他聯網設備現在已經足夠智能了，甚至一個盜賊和一棵樹都可以被攝像機區分出來。因此，還讓它們將枯燥的「腳本數據」發送到雲端分析是毫無意義的，這種情況下，在計算機上安裝深度學習處理器將會是最好的解決方案。

他們設想中的場景是深度學習處理器能被整合進包括安全系統在內的很多物聯網設備內，屆時，一切都將智能。比如，當一個空氣調節系統（HVAC）「看見」很多人都脫下外套的話，那麼它就會自動做決定關閉空調。

Blaauw和Sylvester希望這種「微塵」計算機數年後能夠進入市場。他們表示，他們於2013年成立的初創公司CubeWorks已獲得Intel Capital的投資，目前正在開發相關設備的模型並為市場化做準備。