Die Entwicklung des SpiNNaker2-Chips ist ein weitere Schritt in Richtung einer Künstlichen Intelligenz, die wie das menschliche Gehirn funktioniert.

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Gehirninspirierte KI Echtzeitprozessor bringt Durchbruch bei KI-Cloud-Systemen

28.07.2021

Aus der Zusammenarbeit von zwei Universitäten und zwei Unternehmen ist das Tapeout eines neuromorphen KI-Chips hervorgegangen, der einen Schlüsselbaustein für Echtzeit-KI darstellen soll. Der Unterschied zu bisherigen Prozessoren ist seine besondere Nähe zum menschlichen Gehirn.

Der SpiNNaker2 ist ein neuromorpher KI-Echtzeitprozessor mit hoher Effizienz und einer Latenzzeit von unter einer Millisekunde. Der Chip für Künstliche Intelligenz geht aus einer Zusammenarbeit der Universität Manchester mit ihrer SpiNNaker-Infrastruktur, der TU Dresden mit ihrer hybriden KI-Architektur, der Firma Racyics mit ihrer Body-Bias-IP-Plattform ABX und unter Verwendung der 22FDX-Lösung von Globalfoundries hervor.

Der KI-Chip ist unter Echtzeitbetrieb für eine Skalierung bis zu einem Cloud-System mit 70.000 Chips ausgelegt und damit ein Schlüsselbaustein für Echtzeit-KI bei hohen Datenraten. SpiNNaker2 wird laut dem Hersteller einen großen Einfluss auf KI-Anwendungen wie Smart Citys, 5G, taktiles Internet und autonomes Fahren haben, weil er gleichzeitig Anforderungen an niedrige Latenz, hohen Durchsatz und Energieeffizienz abdeckt.

Die komplette Zehn-Millionen-Prozessor-Maschine SpiNNaker2, genannt SpiNNcloud, wird an der TU Dresden zu Forschungszwecken eingesetzt. Parallel dazu will das Start-up SpiNNcloud Systems SpiNNaker2 kommerziell verfügbar machen.

Annäherung an realistische Gehirnmodelle

Aktuelle KI-Hardware und -Algorithmen sind nur teilweise vom menschlichen Gehirn inspiriert. Selbst die beste KI-Hardware ist derzeit noch weit von dem 20-W-Stromverbrauch, der geringen Latenzzeit und der beispiellosen Verarbeitungsleistung mit hohem Durchsatz entfernt, die das menschliche Gehirn bietet.

SpiNNaker2 wurde im Rahmen des EU Forschungsprojekts „Human Brain Project“ entwickelt. Das Rückgrat des Systems bildet eine maßgeschneiderte, leichtgewichtige Kommunikationsinfrastruktur, die von Edge-Geräten bis hin zu großen Server-Cloud-Anwendungen skaliert werden kann, ohne die inhärente Verlangsamung zu erleiden, die normalerweise bei der Skalierung von Berechnungen auf Cloud-Größe auftritt.

Prof. Steve Furber, University of Manchester, erklärt: „Wenn wir in Zukunft das volle Potenzial von KI ausschöpfen wollen, gibt es noch viel von der Biologie zu lernen. SpiNNaker2 wurde entwickelt, um die Kluft zwischen realistischen Gehirnmodellen und KI zu überbrücken, sodass beide zunehmend voneinander profitieren können.“

Ergänzend dazu sagt Prof. Christian Mayr: „Unser ganzheitliches, sparsamkeitsoptimiertes Systemdesign, kombiniert mit einem einzigartigen hybriden KI-Framework, ermöglicht Echtzeit-KI in einem noch nie dagewesenen Ausmaß. Wir werden mit der SpiNNaker2-Maschine an der TU Dresden Spitzenforschung zu neuartigem maschinellem Lernen betreiben, sind aber auch stolz darauf, diese KI über unser Start-up SpiNNcloud Systems kommerziell anbieten zu können.“ Der studierte Elektrotechniker ist Inhaber der Professur für Hochparallele VLSI-Systeme und Neuromikroelektronik an der Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik an der TU Dresden.

Vier Unternehmen, viel Potenzial

SpiNNaker2 wurde im 22FDX-Ecosystem unter Verwendung der Adaptive-Body-Biasing-IP-Plattform (ABX) von Racyics realisiert, um das volle Potenzial von 22FDX zu nutzen. Diese IP-Plattform ermöglicht SpiNNaker2 den Betrieb am minimalen Energiepunkt der Verarbeitungseinheiten bei 0,5 V mit zusätzlicher Unterstützung von dynamischer Spannungs- und Frequenzskalierung für hohe Leistung bei Bedarf.

Damit nutzt SpiNNaker2 die Stromspareigenschaften von 22FDX, der Technologie von Globalfoundries Dresden. Das komplette Chipdesign wurde vom Team der TU Dresden unter Verwendung von makeChip durchgeführt, einer Designumgebung für 22FDX, die von Racyics angeboten wird. Dieser Ansatz war für die akademische Gruppe entscheidend, um die sogenannte Lab-to-Fab-Lücke zu schließen und ein sehr komplexes System-on-Chip für die Serienproduktion erfolgreich zu realisieren.

Der auf 22FDX basierende SpiNNaker2-Chip zeigt die Synergien, die möglich sind, wenn europäische KI-Forschung auf europäische Halbleitertechnologie trifft. „Als weltweit führende Spezial-Foundry ermöglicht Globalfoundries, kommerzielle Durchbrüche zu erzielen. SpiNNaker2 ist ein greifbarer Beweis für die herausragende Leistung, die durch die Kombination der neuesten Fortschritte in gehirninspirierter Künstlicher Intelligenz und unserer hochleistungsfähigen 22FDX-Technologie erreicht wird“, sagt Dr. Manfred Horstmann, Leiter von Globalfoundries Dresden.

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