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13年前，正在新加坡科學(xué)院數(shù)據(jù)存儲研究院從事信息存儲的施路平做夢也沒有想到，自己的大膽設(shè)想在今天不僅成為了現(xiàn)實，還登上了8月1日發(fā)表的《自然》封面。

談及當(dāng)下最熱的話題，人工智能無疑是其中之一。要想抓住發(fā)展人工智能的機(jī)遇，必須在核心芯片上做到自主可控。近日，清華大學(xué)類腦計算研究中心教授施路平團(tuán)隊研發(fā)了一款類腦計算芯片“天機(jī)芯”，有望促進(jìn)人工通用智能發(fā)展。

“該芯片是面向人工通用智能的世界首款異構(gòu)融合類腦計算芯片，實現(xiàn)了中國在芯片和人工智能兩大領(lǐng)域《自然》論文零的突破。”談及該成果，團(tuán)隊成員充滿驕傲。

人腦+電腦=類腦

13年前，公眾對人工智能的認(rèn)識既沒有如此深刻，也不像今天這樣對它抱有那么大的期待。傳統(tǒng)的信息存儲大多通過物理手段將器件體積做小，繼而推動技術(shù)發(fā)展。

“過去無論存儲器也好，CPU也罷，它們的發(fā)展驅(qū)動力都是物理微縮。10年、20年后可能會縮小到幾納米，但是縮到不能再小之后呢？”2006年，施路平對這個問題進(jìn)行了深入思考。

他的答案是，計算機(jī)發(fā)展會改變信息計算存儲方式，而這需要新的發(fā)展思路。

在某種程度上，人腦和電腦是互補(bǔ)的。施路平告訴《中國科學(xué)報》，從計算和存儲的速度和精確性來說，人根本不是計算機(jī)的對手。但對于一些不確定的思考型問題，人腦有著不可替代的優(yōu)勢。

“計算機(jī)是把多維空間的信息轉(zhuǎn)換成010101的一維信息流。CPU主頻越來越快，換句話說它主要利用的是時間復(fù)雜度。人腦，盡管還有太多的未知原理，但一個神經(jīng)元可以連接一千到一萬個神經(jīng)元，即將信息從多維空間擴(kuò)大到了一千到一萬維。換句話說，它利用的是空間復(fù)雜度。同時，人腦利用脈沖來編碼，又利用了時空復(fù)雜度。”施路平說。

如果在現(xiàn)有計算機(jī)時間復(fù)雜度的基礎(chǔ)上，提高空間復(fù)雜度和時空復(fù)雜度，豈不兩全其美？經(jīng)過討論，團(tuán)隊一致認(rèn)為實現(xiàn)人機(jī)融合的類腦計算是最佳解決方案之一，而首先要做的，是發(fā)展一個二者融合的計算平臺。

在人工智能路上“沿途下蛋”

2012年，施路平放棄了新加坡的優(yōu)渥待遇，接受了時任清華大學(xué)人事主管邱勇（現(xiàn)清華大學(xué)校長）的邀請，加入清華大學(xué)參與創(chuàng)建類腦計算研究中心。“這是一個非常有前途的領(lǐng)域，但也極具風(fēng)險和挑戰(zhàn)性。”施路平說，團(tuán)隊制定了目標(biāo)，即發(fā)展類腦計算，支撐人工通用智能。

“因為我們做的不是仿腦，不需要模仿人腦的一切。我們做的是類腦，是借鑒腦科學(xué)的基本原理，凝練出一些指導(dǎo)計算架構(gòu)發(fā)展的新規(guī)律。”施路平介紹，在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊提出了符合腦科學(xué)基本規(guī)律的新型類腦計算架構(gòu)——異構(gòu)融合的天機(jī)類腦計算芯片架構(gòu)，可同時運行計算機(jī)科學(xué)和神經(jīng)科學(xué)導(dǎo)向的絕大多數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。

基于腦科學(xué)研究和電腦運行模式的異同點，團(tuán)隊從電路設(shè)計到編碼再到信號處理，采用了軟硬件協(xié)同設(shè)計方法。研發(fā)的天機(jī)架構(gòu)既支持人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)又支持脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，還支持神經(jīng)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的眾多神經(jīng)回路網(wǎng)絡(luò)和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的混合建模，可發(fā)揮它們各自的優(yōu)勢。

2015年，第一代“天機(jī)芯”問世。

“第一代芯片的體積約為110納米，只是個DEMO（小樣）。”論文共同第一作者、清華大學(xué)儀器科學(xué)與技術(shù)研究所副研究員裴京介紹，經(jīng)過不斷改進(jìn)設(shè)計，2017年團(tuán)隊研發(fā)了第二代“天機(jī)芯”芯片。

第二代“天機(jī)芯”具有高速度、高性能、低功耗的特點，體積縮小至28納米。相比于當(dāng)前世界先進(jìn)的IBM的TrueNorth芯片，其功能更全、靈活性和擴(kuò)展性更好，密度提升20%，速度提高至少10倍，帶寬提高至少100倍。

論文共同第一作者、清華大學(xué)博士鄧?yán)诟嬖V《中國科學(xué)報》，基于自主研發(fā)的天機(jī)芯片，團(tuán)隊還研制出第一代類腦計算軟件工具鏈，可支持從機(jī)器學(xué)習(xí)編程平臺到“天機(jī)芯”的自動映射和編譯。

如果說芯片是機(jī)器的“大腦”，那么還需要一個充分發(fā)揮才智的“身體”。最后，團(tuán)隊利用類腦自動行駛自行車建立了一個異構(gòu)可擴(kuò)展人工通用智能開發(fā)演示平臺。鄧?yán)谡故玖诉@樣的場景：僅需要一塊“天機(jī)芯”，自行車可實現(xiàn)自平衡、動態(tài)感知、目標(biāo)探測、跟蹤、自動避障、過障、語音理解、自主決策等功能。

“目前該技術(shù)已經(jīng)有一定基礎(chǔ)，除自行車外，發(fā)展的相關(guān)技術(shù)可直接拓展到自動駕駛、無人機(jī)以及智能機(jī)器人等應(yīng)用上，我們將采用‘沿途下蛋’的方式把研究和市場緊密聯(lián)系起來。”他說。

學(xué)科交叉共融為最大特色

腦科學(xué)的研究機(jī)理是認(rèn)知科學(xué)的重要組成部分，而機(jī)器理解與計算一直是人工智能領(lǐng)域的主要研究內(nèi)容。可以說，該研究帶有明顯的學(xué)科交叉屬性，比如信息科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、材料科學(xué)等學(xué)科的交叉——而這也是施路平十多年來感受頗深的地方。

“發(fā)展類腦計算芯片是個世界性難題。它真正的挑戰(zhàn)不是科學(xué)，也不是技術(shù)，而是多學(xué)科融合。”施路平介紹，清華大學(xué)類腦計算研究中心依托精儀系聯(lián)合計算機(jī)、電子、微電子、自動化、材料和醫(yī)學(xué)院7個相關(guān)院系共建，學(xué)校從一開始就為類腦計算中心制定了多學(xué)科融合引領(lǐng)新方向、產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的發(fā)展戰(zhàn)略。

此次論文共同作者來自6個院系，其中共同第一作者就來自精儀、生物工程、自動化和計算機(jī)4個系。

施路平表示，類腦計算中心科研人員將按照清華大學(xué)“頂天立地做研究”的思路，專注基礎(chǔ)科學(xué)技術(shù)突破。其中，類腦計算中心孵化的北京靈汐科技將直接面對市場應(yīng)用進(jìn)行開發(fā)。“未來，‘天機(jī)芯’將由靈汐科技負(fù)責(zé)推向市場。”他說。

面向未來，他心中充滿愿景。團(tuán)隊將利用多學(xué)科融合引領(lǐng)類腦計算發(fā)展，培養(yǎng)類腦計算一流人才，通過產(chǎn)學(xué)研用結(jié)合，爭取使我國在類腦計算領(lǐng)域走在世界前列，進(jìn)而推動人工通用智能發(fā)展，賦能各行各業(yè)。

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