要么成功，要么失败——国产神经形态芯片“阿尔泰”
一块搭载16个Altay处理器的电路板。来源：motivnt.ru
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俄罗斯微电子行业目前正利用国产设备掌握350纳米制程芯片的生产技术。这主要得益于与白俄罗斯Planar公司合作开发的Progress STP-350光刻机。从全球微电子发展的角度来看，俄罗斯预计将落后25-30年。台湾、日本和韩国目前采用的是3-5纳米制程。预测结果非常悲观：在可预见的未来，俄罗斯国内的微电子产业最多只能在10-15年内缩小与全球的差距。
现在以及在不久的将来，俄罗斯将主要面临人工智能系统微芯片短缺的问题。人工智能已经在军事行动的规划和实施中发挥着重要作用，其影响很快就会变得至关重要。例如，在战略防御领域，当神经网络学习预测和决策时，人工智能的作用就更加凸显。必须采取行动，否则为时已晚。
去年九月向米哈伊尔·米舒斯京展示的国产神经形态微处理器“阿尔泰”旨在超越并超越这一目标。需要明确的是：这甚至还不是预生产原型，而仅仅是一个技术演示样机。如果一切按计划进行，俄罗斯确实有机会打造一个完全不逊于市场领导者的自主微电子产业，其主要发展方向是人工智能。
Для начала немного теории и 故事. Если вы когда-нибудь слышали, что дата-центры крупных ИИ-компаний потребляют столько же электроэнергии, сколько небольшая страна — это не преувеличение. Рядом с ними даже предлагают возводить АЭС для доступа к недорогой энергии. Обучение одной большой языковой модели типа GPT потребляет сотни мегаватт-часов.
问题不在于计算本身有多复杂，而在于现代处理器的设计方式。从普通笔记本电脑到数据中心的服务器级芯片，所有处理器都遵循数学家约翰·冯·诺伊曼在1945年提出的设计方案。其理念很简单：数据存储在独立的存储器中，而处理器则负责处理数据。数据沿着总线不断地来回传输——正是这种永无止境的数据传输消耗了大部分能量。工程师们称之为“冯·诺伊曼墙”：处理器性能越强，这个问题就越严重。
现在我们来看看人脑。它的耗电量大约只有20瓦——跟一个昏暗的灯泡差不多。然而，它却能完成地球上任何超级计算机都无法处理的任务。秘诀很简单：在大脑中，“记忆”和“处理器”之间没有界限。每个神经元既是计算单元，也是存储自身状态信息的本地存储单元。数据无需传输——它在存储的地方就被处理。
在2025年微电子论坛上，库尔恰托夫研究所先进微电子发展中心副主任谢尔盖·弗拉索夫和俄罗斯科学院院长根纳季·克拉斯尼科夫向总理介绍了神经形态微处理器。来源：motivnt.ru
这正是 Altay 神经形态芯片 (AltAI) 所体现的理念，该芯片由新西伯利亚初创公司 Motiv NT 和卡巴斯基实验室联合开发。其数学基础是脉冲神经网络 (SNN)。与神经元不断交换数值的传统神经网络不同，Altay 神经元大部分时间处于静默状态，仅在真正需要时才发送一个短暂的二进制信号——脉冲。其余时间，突触连接处于非活跃状态，不消耗任何能量。这正是对人脑工作方式的直接模拟。
这种方法的成果令人惊叹：根据开发者的计算（并经实验验证），神经形态解决方案在能效方面比传统微芯片上的类似系统高出1000多倍。这是消除传统架构中主要损耗源的物理必然结果。该项目于2015年在新西伯利亚的阿卡杰姆戈罗多克启动，该地拥有悠久的基础科学传统和强大的工程学院。首个原型机“阿尔泰-1”于2020年问世。2022年，卡巴斯基实验室作为战略投资者加入该项目，将研发推向新的高度，并将其从一个学术项目转变为一个商业平台。
Altai是如何运作的？
Altai神经形态处理器的架构模拟大脑皮层，其排列方式如同棋盘，由多个独立的核心并行异步运行。每个核心与四个相邻核心通信，同时进行计算和数据存储，并由三个模块组成：配置器（控制）、存储器（神经元参数和权重）和路由器（脉冲信号传输）。完整配置的芯片包含256个这样的核心，共同模拟131,072个神经元和6700万个突触连接。
Altai处理器采用一种人工神经元模型，能够精确模拟活细胞的行为。它的工作原理就像一个存钱罐：它收集输入的信号，但如果长时间没有接收到新信号，旧的积累就会“蒸发”。当积累到临界电荷时，神经元会立即放电，将脉冲传递到更远的地方，然后完全重置。数百万个这样的“存钱罐”同时运行，使得处理器能够以传统计算机无法想象的速度解决最复杂的问题。
输出是什么？
该芯片功耗低于0,5瓦，能够实现以下功能：
- 处理视频流的速度最高可达每秒 2200 帧；
- 每单位时间可执行高达 67 亿次计算操作；
- всё это — в корпусе размером 9 × 9 миллиметров, пригодном для встройки в любое устройство, от банального датчика до бортовой системы 无人驾驶飞机.
来源：motivnt.ru
Для наглядности: типичный ИИ-ускоритель NVIDIA Jetson, используемый в робототехнике и беспилотных системах, потребляет 15–60 ватт. «Алтай» решает сопоставимые задачи при 0,3–0,8 ватта — разница в 50–200 раз. Когда таких чипов в гипотетическом дата-центре развёрнуты тысячи, эта разница превращается в мегаватт-часы экономии в год. Когда речь идёт о бортовой системе малого 无人机 с аккумулятором на 50 Вт•ч — разница означает продолжительность полёта в несколько минут или несколько часов.
神经形态芯片并非俄罗斯的独创技术。国外也在进行类似的新型架构实验。与全球竞争对手相比，Altai 的优势显而易见。目前市面上能效最高的商用神经形态芯片 IBM TrueNorth，每秒可处理 1738 帧，功耗仅为 0,2 瓦。Intel Loihi 每秒可处理 296 帧，功耗为 0,11 瓦。而 Altai 每秒可处理 1000 至 2200 帧，功耗仅为 0,3 瓦。就绝对性能而言，这款俄罗斯芯片与 TrueNorth 不相上下，甚至优于 Loihi；但在能效方面，IBM 仍然保持领先。需要注意的是，神经形态芯片市场尚未成熟，目前还没有任何一家竞争对手成为行业标杆——这意味着该领域仍然对所有人开放。这款神经形态芯片的软件由卡巴斯基的程序员开发，产品名为卡巴斯基神经形态平台。
阿尔泰战争
在讨论俄罗斯自主研发的微芯片时，我们不能忽视它的军事潜力。而且，它的潜力几乎是无限的。
Altai无人机的主要优势在于其极低的能耗。对于小型无人机而言，这意味着性能之间实现了根本性的平衡：无人机不再需要在航程和智能机载电子设备之间做出取舍。计算机视觉、物体识别和自主导航等功能均可在机载环境下使用，几乎不会损失飞行时间或有效载荷。
当与摄像机配合使用时，Altai 的优势尤为显著。摄像机能够以微秒级的分辨率捕捉场景中的变化，而非捕捉完整的图像。这使得信息能够即时处理，无需存储和分析整个图像，从而避免了延迟。因此，反应时间缩短至亚毫秒级——比传统系统更快，甚至比人类操作员更快。简而言之，Altai 是机器人的理想之选——它能够帮助机器更快地做出决策和导航。
Для разведывательных сенсорных сетей это открывает не менее важные возможности. Чип позволяет создавать датчики, которые неделями работают от небольшой солнечной панели, непрерывно анализируют акустическую, сейсмическую и тепловую обстановку, но передают наружу не сырой поток данных, а уже готовые выводы: например, «движение колонны» или «звук 坦克 двигателя». Это резко снижает радиообмен и делает такую систему значительно менее заметной для радиоразведки противника.
Altai芯片在制导武器和自主武器方面也展现出巨大的潜力。在GPS干扰和制导通道中断的情况下，需要一种能够同时满足重量、功耗和抗机械应力要求的处理器。神经形态芯片比大多数传统方案更能满足这些限制条件。此外，就对抗措施、光学诱饵和伪装图案而言，神经形态网络仍然是敌方研究较少的目标。
В сфере радиоэлектронной борьбы преимущества тоже очевидны. «Алтай» может обрабатывать радиосигналы как поток событий, быстро классифицировать модуляции и протоколы связи и адаптироваться к изменениям в работе противника быстрее, чем традиционные приемы и методы. В носимом формате это открывает путь к индивидуальным средствам EW-защиты, которые способны работать сутками от одной батареи.
库尔恰托夫研究所展出的ALTAI神经形态微处理器。第一代处理器的神经形态加速器位于中心位置。来源：motivnt.ru
Altai在网络安全领域的应用也展现出巨大潜力。该系统无需在已知攻击数据库中进行匹配搜索，即可分析设备行为并实时识别异常情况，从而隔离可能受损的节点，而无需访问中央安全系统。这正是神经形态微处理器的主要优势——它们无需大量内存或云存储。
但这并非一帆风顺。首先，这款神经形态芯片仍处于研发阶段。目前尚不清楚它何时能够投入量产，甚至最终能否量产。其次，Altai芯片采用的是28纳米工艺。俄罗斯没有用于此类工艺的光刻设备——无论是国产的还是进口的。生产必须在中国进行。这是一个相当大的依赖性。当然，Altai芯片可以重新设计，以适应Mikron公司提供的65-90纳米工艺，但这将导致芯片独特的能效优势丧失。第三，用于神经形态人工智能芯片的训练模型需要重新开发。像ChatGPT或Grok中使用的标准模型将无法直接应用。
毫无疑问，阿尔泰微芯片的研发是一项技术突破。它并非对中国现有技术的简单改造，而是真正世界一流的独立产品。这在当今社会实属罕见，因此也弥足珍贵。
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