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13年前，正在新加坡科學(xué)院數(shù)據(jù)存儲(chǔ)研究院從事信息存儲(chǔ)的施路平做夢(mèng)也沒(méi)有想到，自己的大膽設(shè)想在今天不僅成為了現(xiàn)實(shí)，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(wú)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(jì)算研究中心教授施路平團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一款類腦計(jì)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(jì)算芯片，實(shí)現(xiàn)了中國(guó)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(duì)成員充滿驕傲。

人腦+電腦=類腦

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

“過(guò)去無(wú)論存儲(chǔ)器也好，CPU也罷，它們的發(fā)展驅(qū)動(dòng)力都是物理微縮。10年、20年后可能會(huì)縮小到幾納米，但是縮到不能再小之后呢？”2006年，施路平對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了深入思考。

他的答案是，計(jì)算機(jī)發(fā)展會(huì)改變信息計(jì)算存儲(chǔ)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(guó)科學(xué)報(bào)》，從計(jì)算和存儲(chǔ)的速度和精確性來(lái)說(shuō)，人根本不是計(jì)算機(jī)的對(duì)手。但對(duì)于一些不確定的思考型問(wèn)題，人腦有著不可替代的優(yōu)勢(shì)。

“計(jì)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(lái)越快，換句話說(shuō)它主要利用的是時(shí)間復(fù)雜度。人腦，盡管還有太多的未知原理，但一個(gè)神經(jīng)元可以連接一千到一萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元，即將信息從多維空間擴(kuò)大到了一千到一萬(wàn)維。換句話說(shuō)，它利用的是空間復(fù)雜度。同時(shí)，人腦利用脈沖來(lái)編碼，又利用了時(shí)空復(fù)雜度。”施路平說(shuō)。

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

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(shí)任清華大學(xué)人事主管邱勇（現(xiàn)清華大學(xué)校長(zhǎng)）的邀請(qǐng)，加入清華大學(xué)參與創(chuàng)建類腦計(jì)算研究中心。“這是一個(gè)非常有前途的領(lǐng)域，但也極具風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)性。”施路平說(shuō)，團(tuán)隊(duì)制定了目標(biāo)，即發(fā)展類腦計(jì)算，支撐人工通用智能。

“因?yàn)槲覀冏龅牟皇欠履X，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(jì)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(duì)提出了符合腦科學(xué)基本規(guī)律的新型類腦計(jì)算架構(gòu)——異構(gòu)融合的天機(jī)類腦計(jì)算芯片架構(gòu)，可同時(shí)運(yùn)行計(jì)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(yùn)行模式的異同點(diǎn)，團(tuán)隊(duì)從電路設(shè)計(jì)到編碼再到信號(hào)處理，采用了軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)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(shì)。

2015年，第一代“天機(jī)芯”問(wèn)世。

“第一代芯片的體積約為110納米，只是個(gè)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(guò)不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)，2017年團(tuán)隊(duì)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(diǎn)，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(guó)科學(xué)報(bào)》，基于自主研發(fā)的天機(jī)芯片，團(tuán)隊(duì)還研制出第一代類腦計(jì)算軟件工具鏈，可支持從機(jī)器學(xué)習(xí)編程平臺(tái)到“天機(jī)芯”的自動(dòng)映射和編譯。

如果說(shuō)芯片是機(jī)器的“大腦”，那么還需要一個(gè)充分發(fā)揮才智的“身體”。最后，團(tuán)隊(duì)利用類腦自動(dòng)行駛自行車建立了一個(gè)異構(gòu)可擴(kuò)展人工通用智能開(kāi)發(fā)演示平臺(tái)。鄧?yán)谡故玖诉@樣的場(chǎng)景：僅需要一塊“天機(jī)芯”，自行車可實(shí)現(xiàn)自平衡、動(dòng)態(tài)感知、目標(biāo)探測(cè)、跟蹤、自動(dòng)避障、過(guò)障、語(yǔ)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(dòng)駕駛、無(wú)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(chǎng)緊密聯(lián)系起來(lái)。”他說(shuō)。

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(jì)算一直是人工智能領(lǐng)域的主要研究?jī)?nèi)容。可以說(shuō)，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(lái)感受頗深的地方。

“發(fā)展類腦計(jì)算芯片是個(gè)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(jì)算研究中心依托精儀系聯(lián)合計(jì)算機(jī)、電子、微電子、自動(dòng)化、材料和醫(yī)學(xué)院7個(gè)相關(guān)院系共建，學(xué)校從一開(kāi)始就為類腦計(jì)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(lái)自6個(gè)院系，其中共同第一作者就來(lái)自精儀、生物工程、自動(dòng)化和計(jì)算機(jī)4個(gè)系。

施路平表示，類腦計(jì)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(jì)算中心孵化的北京靈汐科技將直接面對(duì)市場(chǎng)應(yīng)用進(jìn)行開(kāi)發(fā)。“未來(lái)，‘天機(jī)芯’將由靈汐科技負(fù)責(zé)推向市場(chǎng)。”他說(shuō)。

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

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