受大脑启发的AI架构在提升速度的同时大幅降低了功耗

双记忆通路抽象。在算法层面,每一层都维护一个共享的低维状态,该状态能够捕捉缓慢的上下文动态并调节快速脉冲活动。在硬件层面,这种分离通过异构加速器得以体现:该加速器将紧凑状态保存在芯片上,并融合稀疏计算与密集计算以实现高效执行。 来源:Sun 等。
脉冲神经网络(SNNs)是一种受生物神经元通信方式启发的AI模型。与通过电冲动交换信息的生物神经元不同,SNNs依赖于被称为“脉冲”的短暂信号。
SNN在降低功耗方面展现出巨大潜力,因为开发者可以确保其仅在发生有意义的变化时处理信息,而非持续运行。鉴于当前人工智能系统消耗大量能量,这是一项显著优势。
尽管早期的一些SNN取得了令人鼓舞的结果,但它们往往难以在较长时间内保留有用的上下文信息。当模型的数据存储空间有限或在能源受限的情况下运行时,这一挑战尤为突出。
伦敦帝国理工学院和苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)的研究人员最近推出了一套协同设计的软硬件方案,有望克服这一局限。他们在《自然·机器智能》(Nature Machine Intelligence)上发表的论文中描述的架构,在保持节能和降低数据存储需求的同时,能够有效处理长序列任务。
“脉冲神经网络在事件驱动型感知方面表现卓越,”孙鹏飞、苏哲及其同事写道,“然而,在严格遵守有限的能耗和内存预算的同时,无论从算法还是硬件层面,如何在长时间尺度上维持与任务相关的上下文,仍然是一个核心挑战。 我们通过算法与硬件的协同设计来解决这一问题。”

DMP架构的硬件设计。来源:《自然·机器智能》(2026)。DOI:10.1038/s42256-026-01255-3
一种受大脑启发的创新双存储系统
先前研究表明,某些神经过程极其快速,而另一些则较慢,这使得大脑能够更长时间地保留信息。Sun、Su及其同事开发的架构模拟了这种快慢神经过程的结合。
该团队借鉴了大脑快-慢组织结构的原则,共同设计了互为补充的软硬件组件。软件部分由一个多层自适应神经网络(SNN)组成,该网络将慢速记忆通路与快速脉冲活动相结合。
“在算法层面,受大脑皮层快-慢组织结构的启发,我们引入了一个具有显式慢速记忆通路的神经网络,该网络与快速脉冲活动相结合,构成了双记忆通路架构。 在该架构中,每一层都维持着一种紧凑的低维状态,该状态既能概括近期活动,又能调节脉冲动力学,”作者写道。
“这种显式记忆在保持事件驱动的稀疏性的同时稳定了学习过程,在长序列基准测试中实现了具有竞争力的准确率,且参数数量比同类最先进脉冲神经网络减少了40%至60%。”
双记忆架构的一个关键优势在于,它能在高效处理输入数据的同时,以紧凑形式保留与任务相关的关键信息。该团队还设计了专用于运行其脉冲神经网络(SNN)的专用硬件。
“在硬件层面,我们引入了一种近内存计算架构,该架构通过保留其紧凑的共享状态,同时优化异构稀疏脉冲路径与密集内存路径之间的数据流,从而充分利用了双内存路径架构的优势,”孙、苏及其同事写道。
初步结果及潜在实际应用
研究人员通过一系列初步测试,对他们的SNN及协同设计的硬件进行了评估。他们测量了在固定时间内完成长序列任务(处理长数据流)的速度、能耗以及数据吞吐量。
“实验结果表明,与最先进的实现方案相比,吞吐量提高了四倍以上,能效提升了五倍以上,”作者写道。 “这些成果共同表明,生物学原理可以指导既在算法上有效又在硬件上高效的功能抽象,从而为实时类脑计算和学习建立了一个可扩展的协同设计框架。”
由孙、苏及其同事开发的新型SNN和硬件,有望进一步优化,并在更广泛的任务中进行测试。未来,它们有望在能耗受限的情况下,实现对海量数据的实时快速分析。这对机器人、可穿戴设备、边缘AI以及多传感器互联网络等应用将具有重要价值。
本文由作者英格丽德·法德利(Ingrid Fadelli)撰写,加比·克拉克(Gaby Clark)编辑,罗伯特·伊根(Robert Egan)进行事实核查与审阅——这是精心的人工创作成果。我们依赖像您这样的读者来维持独立科学新闻的活力。如果您重视这份报道,请考虑捐款(尤其是每月定期捐款)。 作为感谢,您将获得一个无广告的账户。
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