前 言

我們高興地向讀者推出本刊“面向人工智能的計算機體系結構”專題！近幾年來人工智能技術的飛速發展使得其應用迅猛擴大，而傳統的計算機體系結構對于面向人工智能的應用在處理速度、能耗、使用的方便性等方面有著諸多不足.隨著人工智能應用的發展，面向人工智能的體系結構成為體系結構研究與發展中的一個重要方向.因此，本刊在“計算機體系結構前沿技術”專題系列中，出版“面向人工智能的計算機體系結構”專題.本專題包含面向人工智能應用的體系結構技術、人工智能應用程序的行為分析及其對體系結構的要求、面向人工智能應用及特定體系結構的優化技術等方面共6篇文章.

傳統的馮·諾依曼體系結構對于面向人工智能應用的神經網絡計算有諸多不適應.類腦機是一類典型的非馮·諾依曼體系結構.類腦機在處理人工智能問題的許多領域中比傳統的馮·諾依曼結構具有速度、能耗等方面的優勢，引起智能機器研究人員的高度興趣和重視.黃鐵軍等的文章“類腦機的思想與體系結構綜述”介紹類腦機的研究和發展概況.文章介紹了類腦機的基本概念、原理結構、典型的類腦機系統，也介紹了脈沖神經網絡的工作原理及其信息處理能力，文章還預測了類腦機的發展前景，并給出類腦機研究中的重要問題.

基于憶阻器的神經網絡內存計算架構是一類獲得計算機體系結構研究者高度關注的計算架構.此類架構在人工智能計算的大量應用中比傳統的馮·諾依曼結構在性能、能耗、效率等方面具有優越性.然而，基于憶阻器的內存計算硬件存在外圍電路面積大、功能單元利用率低等問題.毛海宇和舒繼武的文章“基于3D 憶阻器陣列的神經網絡內存計算架構”提出一種基于3D憶阻器陣列的神經網絡內存計算架構FMC，把實現功能單元的外圍電路聚集而形成一個功能單元池，供多個堆疊于其上的憶阻器陣列共享.文章還提出一種數據映射策略,提高功能單元的利用率并減少憶阻器立方體之間的數據傳輸.實驗結果表明文章所提出的技術可以提升功能單元利用率、減小空間占用、提升性能并降低能耗.

深度學習是人工智能的一類重要技術，在云計算、邊緣計算等框架下均有廣泛的應用.左鵬飛等的文章“面向深度學習加速器的安全加密方法”提出，部署在邊緣計算設備上的深度學習加速器有泄露所存儲的深度學習模型的風險.文章針對此問題提出一種深度學習加速器架構COSA.COSA利用計數器模式加密，提高加速器的安全性,并且把解密操作從內存訪問的關鍵路徑中移出以便提高加速器性能.實驗結果表明文章所提出的技術的有效性.

神經網絡學習在不同領域中獲得廣泛的應用.如何根據不同的計算特征、不同的網絡規模設計高能效的加速器？如何基于有限的硬件資源提高網絡性能并最大化資源利用率?這些都是體系結構研究中的重要問題.面向這些問題，方榮強等的文章“多層神經網絡算法的計算特征建模方法”提出一種基于計算特征的神經網絡分析和優化方法.文章提出基于“層”的粒度解析神經網絡模型并提取模型通用表達式,進而根據通用表達式和基本操作屬性提取模型運算量和存儲空間的需求等特征，并提出基于特征的最大值更替的運行調度算法,從而可以利用特征分析和資源狀況優化運行調度方案.實驗結果說明了文章所提的技術的有效性.

長短期記憶網絡是人工智能領域中的一種重要的網絡，有著廣泛的應用；而利用阻變存儲器交叉開關設計內存計算結構是一種高效處理長短期記憶網絡的加速器結構.由于長短期記憶網絡的計算特征和阻變存儲器本身的物理性質，該種網絡加速器的訓練和軟件仿真是加速器設計中的重要環節.劉鶴等的文章“面向阻變存儲器的長短期記憶網絡加速器的訓練和軟件仿真”提出一種針對阻變存儲器特征的神經網絡訓練方法，可以獲得符合阻變存儲器約束的神經網絡模型.同時，文章提出一種模擬器結構，可以用時鐘驅動的形式模擬設計者提出的以阻變存儲器交叉開關結構為核心的加速部件的長短期記憶加速器微體系結構，從而為設計者提供模擬工具.文章介紹了其模塊結構和實現方法，并對所提出的技術給出了試驗評估結果.

深度神經網絡是當前人工智能計算最重要的技術之一，被廣泛地應用于人工智能計算的各個領域.對于深度神經網絡計算的硬件加速是體系結構研究中的一個重要領域.向陶然等的文章“基于細粒度數據流架構的稀疏神經網絡全連接層加速”提出了一種在基于細粒度數據流體系結構的硬件加速器上加速稀疏的深度神經網絡全連接層的方法，可以優化深度神經網絡計算在細粒度數據流架構的加速器的實現.文章針對深度神經網絡計算應用和加速器體系結構的特點提出相應的數據壓縮格式及加速計算方案.實驗結果顯示，文章所提出的方法相較于原有稠密的全連接層運算可以大幅度減少峰值帶寬需求，與一些CPU，GPU，mGPU等結構相比，可以大幅度提高其計算部件的利用率.

我們期望本專題的出版能對計算機、人工智能等領域的研究和開發人員起到重要的啟發、參考和借鑒作用，促進計算機體系結構研究的進展！我們衷心感謝向本刊投稿的所有文章的作者以及為本專題評審稿件的所有專家！衷心感謝本刊編委為組織本專題提供的機會和本刊編輯部同仁的大力支持！