13年前，正在新加坡科學院數據存儲研究院從事信息存儲的施路平做夢也沒有想到，自己的大膽設想在今天不僅成為了現實，還登上了8月1日發表的《自然》封面。
談及當下最熱的話題，人工智能無疑是其中之一。要想抓住發展人工智能的機遇，必須在核心芯片上做到自主可控。近日，清華大學類腦計算研究中心教授施路平團隊研發了一款類腦計算芯片“天機芯”，有望促進人工通用智能發展。
“該芯片是面向人工通用智能的世界首款異構融合類腦計算芯片，實現了中國在芯片和人工智能兩大領域《自然》論文零的突破。”談及該成果，團隊成員充滿驕傲。
人腦＋電腦＝類腦
13年前，公眾對人工智能的認識既沒有如此深刻，也不像今天這樣對它抱有那麼大的期待。傳統的信息存儲大多通過物理手段將器件體積做小，繼而推動技術發展。
“過去無論存儲器也好，CPU也罷，它們的發展驅動力都是物理微縮。10年、20年後可能會縮小到幾納米，但是縮到不能再小之後呢？”2006年，施路平對這個問題進行了深入思考。
他的答案是，計算機發展會改變信息計算存儲方式，而這需要新的發展思路。
在某種程度上，人腦和電腦是互補的。施路平告訴《中國科學報》，從計算和存儲的速度和精確性來說，人根本不是計算機的對手。但對於一些不確定的思考型問題，人腦有著不可替代的優勢。
“計算機是把多維空間的信息轉換成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複雜度。人腦，儘管還有太多的未知原理，但一個神經元可以連接一千到一萬個神經元，即將信息從多維空間擴大到了一千到一萬維。換句話說，它利用的是空間複雜度。同時，人腦利用脈衝來編碼，又利用了時空複雜度。”施路平說。
如果在現有計算機時間複雜度的基礎上，提高空間複雜度和時空複雜度，豈不兩全其美？經過討論，團隊一致認為實現人機融合的類腦計算是最佳解決方案之一，而首先要做的，是發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渥待遇，接受了時任清華大學人事主管邱勇（現清華大學校長）的邀請，加入清華大學參與創建類腦計算研究中心。“這是一個非常有前途的領域，但也極具風險和挑戰性。”施路平說，團隊制定了目標，即發展類腦計算，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，是借鑑腦科學的基本原理，凝練出一些指導計算架構發展的新規律。”施路平介紹，在此基礎上，團隊提出了符合腦科學基本規律的新型類腦計算架構——異構融合的天機類腦計算芯片架構，可同時運行計算機科學和神經科學導向的絕大多數神經網絡模型。
基於腦科學研究和電腦運行模式的異同點，團隊從電路設計到編碼再到信號處理，採用了軟硬件協同設計方法。研發的天機架構既支持人工神經網絡又支持脈衝神經網絡，還支持神經科學發現的眾多神經迴路網絡和異構網絡的混合建模，可發揮它們各自的優勢。
2015年，第一代“天機芯”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、清華大學儀器科學與技術研究所副研究員裴京介紹，經過不斷改進設計，2017年團隊研發了第二代“天機芯”芯片。
第二代“天機芯”具有高速度、高性能、低功耗的特點，體積縮小至28納米。相比於當前世界先進的IBM的TrueNorth芯片，其功能更全、靈活性和擴展性更好，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、清華大學博士鄧磊告訴《中國科學報》，基於自主研發的天機芯片，團隊還研製出第一代類腦計算軟件工具鏈，可支持從機器學習編程平臺到“天機芯”的自動映射和編譯。
如果說芯片是機器的“大腦”，那麼還需要一個充分發揮才智的“身體”。最後，團隊利用類腦自動行駛自行車建立了一個異構可擴展人工通用智能開發演示平臺。鄧磊展示了這樣的場景：僅需要一塊“天機芯”，自行車可實現自平衡、動態感知、目標探測、跟蹤、自動避障、過障、語音理解、自主決策等功能。
“目前該技術已經有一定基礎，除自行車外，發展的相關技術可直接拓展到自動駕駛、無人機以及智能機器人等應用上，我們將採用‘沿途下蛋’的方式把研究和市場緊密聯繫起來。”他說。
學科交叉共融為最大特色
腦科學的研究機理是認知科學的重要組成部分，而機器理解與計算一直是人工智能領域的主要研究內容。可以說，該研究帶有明顯的學科交叉屬性，比如信息科學、神經科學、材料科學等學科的交叉——而這也是施路平十多年來感受頗深的地方。
“發展類腦計算芯片是個世界性難題。它真正的挑戰不是科學，也不是技術，而是多學科融合。”施路平介紹，清華大學類腦計算研究中心依託精儀系聯合計算機、電子、微電子、自動化、材料和醫學院7個相關院系共建，學校從一開始就為類腦計算中心制定了多學科融合引領新方向、產學研結合的發展戰略。
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“頂天立地做研究”的思路，專注基礎科學技術突破。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用進行開發。“未來，‘天機芯’將由靈汐科技負責推向市場。”他說。
面向未來，他心中充滿願景。團隊將利用多學科融合引領類腦計算髮展，培養類腦計算一流人才，通過產學研用結合，爭取使我國在類腦計算領域走在世界前列，進而推動人工通用智能發展，賦能各行各業。
（來源：《自然》 施路平等）
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