（圖片來源：Pixabay）

10月15日，清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系張悠慧團(tuán)隊(duì)和精儀系施路平團(tuán)隊(duì)與合作者發(fā)表一項(xiàng)最新類腦計(jì)算體系結(jié)構(gòu)的突破性研究成果，首次提出“類腦計(jì)算完備性”以及軟硬件去耦合的類腦計(jì)算系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)，通過理論論證與原型實(shí)驗(yàn)證明該類系統(tǒng)的硬件完備性與編譯可行性，以及利用“天機(jī)”芯等硬件性能架構(gòu)相互兼容（即軟硬件去耦合），擴(kuò)展類腦計(jì)算系統(tǒng)應(yīng)用范圍，使之能支持通用計(jì)算。從而以完善的計(jì)算完備性與軟硬件去耦合層次結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)用類腦計(jì)算構(gòu)建通用人工智能。

據(jù)悉，這一最新突破性研究成果于今晨登在頂級(jí)科學(xué)期刊《自然》（Nature）雜志上。

該論文作者表示，這一重要研究成果給內(nèi)腦計(jì)算系統(tǒng)發(fā)展提供了一個(gè)理論基石。類腦計(jì)算是面向通用人工智能的重要計(jì)算能力，新的類腦計(jì)算系統(tǒng)層級(jí)架構(gòu)為建立通用人工智能的標(biāo)準(zhǔn)和發(fā)展帶來幫助。

去年8月，施路平領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊(duì)，在《自然》雜志第一周封面上發(fā)布全球首款異構(gòu)融合類腦計(jì)算芯——“天機(jī)芯”，并由該芯片驅(qū)動(dòng)了一臺(tái)實(shí)驗(yàn)中的“無人駕駛自行車”，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。這一成果被兩院院士選為2019年中國(guó)十大科技進(jìn)展、科技部中國(guó)十大科學(xué)進(jìn)展。

當(dāng)時(shí)，Nature總編斯基珀博士在接受新華社專訪時(shí)稱贊清華天機(jī)芯片的論文將人工智能中的計(jì)算機(jī)科學(xué)研究與神經(jīng)科學(xué)研究結(jié)合起來，是人工智能領(lǐng)域的重要里程碑。

而芯片僅為硬件產(chǎn)物，與之配套的類腦計(jì)算架構(gòu)是十分有必要的，這可實(shí)現(xiàn)類腦計(jì)算軟件和硬件之間的兼容，快速促進(jìn)類腦計(jì)算的開發(fā)效率。

類腦計(jì)算與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)架構(gòu)不同，后者是圍繞圖靈完備和完善的馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)，前者則還沒有沒有廣義的系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)。

為此，基于之前的研究基礎(chǔ)，今年，研究團(tuán)隊(duì)以“類腦計(jì)算完備性”（也稱為神經(jīng)形態(tài)完備性）概念，提出一種具有高度通用性和普適性的類腦計(jì)算系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)。

根據(jù)剛剛出爐的論文所述，這一結(jié)構(gòu)主要包括三個(gè)層次：軟件、硬件和編譯。

其中，軟件層指的是神經(jīng)形態(tài)應(yīng)用和開發(fā)框架（如 Nengo和PyTorch），研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)構(gòu)造性轉(zhuǎn)化算法，將任意圖靈可計(jì)算函數(shù)轉(zhuǎn)換為類腦計(jì)算完備硬件上的模型；硬件層則包括所有類腦芯片和架構(gòu)模型，以EPG（ execution primitive graph）接口作為紐帶，最大化實(shí)現(xiàn)其對(duì)不同硬件的適應(yīng)性，形成完備的類腦計(jì)算硬件體系結(jié)構(gòu)；編譯層則位于兩者之間，將一個(gè)程序轉(zhuǎn)化為硬件所支持的一種等價(jià)形式，實(shí)現(xiàn)類腦計(jì)算和傳統(tǒng)數(shù)字計(jì)算的交融，從而為支持各種應(yīng)用程序(不限于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)類型)的編程提供基礎(chǔ)，提高大腦啟發(fā)式計(jì)算的開發(fā)能力。

類腦計(jì)算機(jī)層次結(jié)構(gòu)(左)與現(xiàn)有通用計(jì)算機(jī)（右）的對(duì)比

在上述理論與算法基礎(chǔ)上，科研人員構(gòu)建支持通用圖形處理器、類腦天機(jī)芯片和基于阻變存儲(chǔ)器的神經(jīng)形態(tài)芯片（仿真）這三類硬件的軟件工具鏈?zhǔn)纠⒁灾悄茏孕熊嚕ㄗ鳛樯窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用代表）、鳥群模擬、QR分解（后兩者作為非神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的通用計(jì)算應(yīng)用代表）為示范應(yīng)用，證實(shí)了設(shè)計(jì)的可行性，同時(shí)測(cè)試顯示這一設(shè)計(jì)能夠大幅提升系統(tǒng)優(yōu)化空間，進(jìn)而顯著提升系統(tǒng)效能。

清華大學(xué)方面表示，這項(xiàng)研究成果為處于起步階段的類腦計(jì)算方向，在類腦計(jì)算系統(tǒng)領(lǐng)域作出了基礎(chǔ)性、原創(chuàng)性的貢獻(xiàn)，填補(bǔ)了完備性理論與相應(yīng)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)方面的空白，有利于自主掌握新型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)核心技術(shù)。

同時(shí)，這是一年多來，清華大學(xué)在繼“天機(jī)芯”和“多陣列憶阻器存算一體系統(tǒng)”之后于《自然》正刊發(fā)表的第三篇成果，是清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系以第一完成單位/通訊單位發(fā)表的首篇《自然》雜志論文。

《自然》雜志的一位審稿人認(rèn)為：“這是一個(gè)新穎的觀點(diǎn)，并可能被證明是神經(jīng)形態(tài)計(jì)算領(lǐng)域以及對(duì)人工智能的追求的重大發(fā)展。”

近年來，類腦計(jì)算研究受到了越來越多的關(guān)注。

眾所周知，摩爾定律正面臨挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的數(shù)字計(jì)算能力進(jìn)步速度在趨緩，從而促使人們尋找替代方案。而長(zhǎng)期以來，科學(xué)家一直對(duì)大腦的計(jì)算能力著迷，由于其神經(jīng)元和突觸結(jié)構(gòu)而具有獨(dú)特的信息處理性能，產(chǎn)生了類腦計(jì)算這一新的科學(xué)領(lǐng)域。

類腦計(jì)算是借鑒生物神經(jīng)系統(tǒng)信息處理模式和結(jié)構(gòu)的計(jì)算理論、體系結(jié)構(gòu)、芯片設(shè)計(jì)以及應(yīng)用模型與算法的總稱。

2007年2月，在德國(guó)召開的首屆國(guó)際類腦智能研討會(huì)上，Sendhoff, Bernhard等人首次發(fā)表關(guān)于類腦智能化研究，定義類腦智能為實(shí)現(xiàn)高度進(jìn)化的生物腦所表現(xiàn)出的智能，從而開啟新的類腦計(jì)算時(shí)代。

十年后，日本Kamitani團(tuán)隊(duì)提出了基于深度學(xué)習(xí)的神經(jīng)解碼研究，分析了計(jì)算機(jī)視覺模型和人腦視覺之間的聯(lián)系和差異，將大腦信號(hào)數(shù)據(jù)和代碼開源，從而為類腦計(jì)算提供基礎(chǔ)編碼知識(shí)，讓類腦計(jì)算能力向前走了一大步。

目前，整個(gè)類腦計(jì)算產(chǎn)業(yè)仍處于“盲人摸象”的起步階段，還缺乏典型的成功應(yīng)用。而清華大學(xué)連續(xù)發(fā)表三份的類腦計(jì)算領(lǐng)域的計(jì)算研究，讓類腦計(jì)算領(lǐng)域有了新的開發(fā)方向。

鈦媒體從清華大學(xué)方面了解到，基于現(xiàn)有（二代）天機(jī)芯片的天機(jī)類腦計(jì)算機(jī)于今年年初對(duì)外展示，其系統(tǒng)已能滿足類腦智能應(yīng)用需求。目前，清華大學(xué)類腦計(jì)算研究中心正在開發(fā)第三代“天機(jī)芯”以及新型類腦計(jì)算機(jī)，對(duì)外發(fā)布時(shí)間則暫未透露。（本文首發(fā)鈦媒體App，作者 | 林志佳，編輯｜趙宇航）

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