在清華大學(xué)精密儀器系大樓的一間實(shí)驗(yàn)室里，一排攝像頭陣列對著液晶屏幕上不斷變換的視覺圖像，旁邊的服務(wù)器發(fā)出輕微的運(yùn)行聲響。
“這是類腦計(jì)算機(jī)正在進(jìn)行視覺快速識別，它和那輛無人自行車一樣，都是由天機(jī)芯片組建的系統(tǒng)應(yīng)用。”清華大學(xué)教授、類腦計(jì)算研究中心主任施路平介紹道。
他提到的天機(jī)芯片于2019年8月登上了《自然》雜志的封面。此刻，這輛黑色的無人自行車停在墻角，后座搭載著書包大小的機(jī)箱，可以實(shí)現(xiàn)自動平衡、避障、過障、目標(biāo)跟蹤、語音指令識別以及自主決策。它的大腦——天機(jī)芯片，是全球首款異構(gòu)融合類腦芯片，同時支持基于神經(jīng)科學(xué)的脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和基于計(jì)算機(jī)科學(xué)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，被評為2019年中國十大科技進(jìn)展之一。
施路平2013年回國加入清華大學(xué)，以類腦計(jì)算為研究方向。2014年，清華大學(xué)依托精密儀器系成立了聯(lián)合七個院系的類腦計(jì)算研究中心，施路平作為主任，帶領(lǐng)涵蓋腦科學(xué)、計(jì)算機(jī)、微電子、電子、精密儀器、自動化、材料等領(lǐng)域的多學(xué)科跨專業(yè)團(tuán)隊(duì)，開始了從無到有的探索。
他把類腦計(jì)算研究比喻成在漆黑的、沒有地圖的“無人區(qū)”探路。“以前做科研，多數(shù)情況有基礎(chǔ)理論指明方向，實(shí)現(xiàn)路徑很清晰。現(xiàn)在類腦計(jì)算機(jī)沒有現(xiàn)成的理論、方向和路徑，一切都要從零開始。但這也是機(jī)遇，恰好是這種無人區(qū)的探索有可能帶來突破性進(jìn)展，為關(guān)鍵科技領(lǐng)域帶來巨大變革。”
施路平介紹，盡管人工智能研究和應(yīng)用取得了很大的進(jìn)展，但目前絕大部分是針對具體問題，一個問題一個解決方案，是窄人工智能。在處理沒有足夠數(shù)據(jù)的、不確定的、動態(tài)復(fù)雜問題時會遇到挑戰(zhàn)，最佳解決方法之一是發(fā)展具有人類智能特征的人工通用智能。
目前人工智能的主流研究思路有兩種。一種是從計(jì)算機(jī)科學(xué)的角度出發(fā)，借鑒大腦的分層處理機(jī)制與學(xué)習(xí)訓(xùn)練特性，基于馮·諾依曼架構(gòu)的計(jì)算機(jī)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與深度學(xué)習(xí)方法；另一種是從腦科學(xué)研究出發(fā)，采用納米級別的器件模擬生物神經(jīng)元和突觸的信息處理特性，采用非馮·諾依曼架構(gòu)的神經(jīng)形態(tài)芯片和脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。兩個方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，將二者融合是目前公認(rèn)的最佳發(fā)展路徑之一。
類腦計(jì)算是借鑒腦科學(xué)基本原理，基于神經(jīng)形態(tài)工程，面向人工通用智能發(fā)展的新型計(jì)算技術(shù)，是將二者自然融合的較好方案。目前類腦計(jì)算研究尚處于起步階段，國際上還沒有形成公認(rèn)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與方案，處在“百花齊放”的階段。
“馮·諾依曼架構(gòu)下的計(jì)算機(jī)是把多維的、復(fù)雜的問題，轉(zhuǎn)換成一維的、較為簡單的信息流，是降維處理，缺點(diǎn)是很大程度上損失了信息的關(guān)聯(lián)性。而類腦計(jì)算則相反，類似人腦的思考方式，通過綜合的、多維時空變換解決問題，是升維處理，在能耗、算力和效率方面有較大優(yōu)勢。”施路平說。
施路平在研究圖靈、馮·諾依曼的早期論文時發(fā)現(xiàn)，這些計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的泰斗們在研究初期是以實(shí)現(xiàn)通用人工智能為目標(biāo)的，但受到當(dāng)時硬件水平的限制，走向了專用人工智能。
他認(rèn)為，隨著先進(jìn)精密儀器的發(fā)展，人類對腦的理解越來越多，將迎來量變到質(zhì)變的突破性進(jìn)展。同時，超級計(jì)算機(jī)的發(fā)展為類腦計(jì)算提供更好的仿真模擬環(huán)境，大數(shù)據(jù)和云計(jì)算提供了和腦復(fù)雜度不斷趨于接近的“數(shù)碼宇宙”，大腦和數(shù)碼宇宙可以視為鏡像，互相借鑒，促進(jìn)理解。而新型納米技術(shù)可以制造出和人腦神經(jīng)元能耗差不多量級的器件，這一切都為類腦計(jì)算的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
“硅和碳在元素特性上非常近似。人腦在碳元素的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了通用智能，那我們就有理由相信在硅元素的基礎(chǔ)上同樣可以實(shí)現(xiàn)通用智能。”施路平說。
他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開發(fā)出從理論、芯片、軟件到系統(tǒng)和應(yīng)用的一整套類腦計(jì)算平臺，現(xiàn)在仍然在不斷地迭代更新當(dāng)中。其中天機(jī)芯片已經(jīng)發(fā)展多代，第一款類腦商用芯片也已問世，并有了客戶，覆蓋多個應(yīng)用領(lǐng)域。
“清華大學(xué)在類腦計(jì)算這個新興跨專業(yè)領(lǐng)域，近年來取得了理論、芯片、器件等方面的創(chuàng)新成果，研究達(dá)到國際前沿水平。”施路平說。
在類腦計(jì)算研究中心攻讀博士學(xué)位的馬松辰負(fù)責(zé)其中的芯片系統(tǒng)。據(jù)他介紹，在設(shè)計(jì)芯片時考慮到生產(chǎn)工藝是國內(nèi)芯片廠商可承接的，不會過度依賴制程，用國內(nèi)廠商目前的工藝就能實(shí)現(xiàn)優(yōu)秀計(jì)算能力，這也是類腦計(jì)算的潛在優(yōu)勢之一。
“在我們中心，多學(xué)科人才組成一個整體，要解決問題，就要每個人都能站在整個團(tuán)隊(duì)的角度去考慮。比如我做芯片，就要充分考慮做軟件和系統(tǒng)的需求。”馬松辰說。
“不論是院系間的合作，還是團(tuán)隊(duì)內(nèi)的工作，我們相互支持，成果共享，瞄準(zhǔn)一個大目標(biāo)共同進(jìn)步。”施路平說，研究中心最大的成果，除了理論和芯片，還有這個多學(xué)科團(tuán)隊(duì)。不同團(tuán)隊(duì)有各自的學(xué)科背景、語言和目標(biāo)訴求，用一種機(jī)制和文化將團(tuán)隊(duì)長期有效地團(tuán)結(jié)在一起，是研究發(fā)展的關(guān)鍵。
“我們研究關(guān)注的重心不僅是芯片、系統(tǒng)、軟件，而且是人類世界未來發(fā)展的潮流和方向。我相信中國可以對人類作出更大貢獻(xiàn)。”施路平說。
編輯：李華山
