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智源社區(qū) & AI科技評論

作者 | 智源實(shí)習(xí)生 羅麗

11月1日上午，在第十九屆中國計算語言學(xué)大會(CCL2020)上，清華大學(xué)類腦計算研究中心主任施路平作了題為《面向人工通用智能的類腦計算》的主題報告，從類腦計算研究的原因、內(nèi)容和方法三方面分析了類腦計算、芯片及系統(tǒng)研究所面臨的挑戰(zhàn)和可能的解決方法，重點(diǎn)討論了如何將腦科學(xué)和計算機(jī)融合，以雙腦驅(qū)動的類腦計算推動人工通用智能的研究。觀看CCL回放，可登錄B站關(guān)注“智源研究院”。

目前，全球數(shù)據(jù)量大約每兩年翻一番（另外一種摩爾定律），而基于馮諾依曼架構(gòu)的計算機(jī)在大數(shù)據(jù)信息處理時其能耗、速度和帶寬均受到影響；另外，硬件的物理微縮，非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的處理、數(shù)據(jù)平均壽命短、數(shù)據(jù)多樣性、關(guān)聯(lián)性，數(shù)據(jù)存儲等都對計算機(jī)發(fā)展帶來挑戰(zhàn)。

2017年，圖靈獎得主 David A. Patterson 和 John L. Hennessy 在 ACM complication 上發(fā)表長文稱，未來的計算機(jī)體系架構(gòu)將迎來黃金發(fā)展十年。改變計算機(jī)體系架構(gòu)，發(fā)展新的計算機(jī)架構(gòu)勢在必然。除此之外，人工智能的三次浪潮——神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，第五代神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算機(jī)以及深度學(xué)習(xí)，都與“腦”緊密相關(guān)，類腦計算源于人工智能技術(shù)的發(fā)展需求。

目前的人工智能雖得到快速發(fā)展，但仍面臨著諸多問題，比如，在語音輸入時，機(jī)器無法判斷間隔，無法識別口誤和口音，這是因為機(jī)器并沒有真正理解語言。施路平表示，理解不是一個單獨(dú)、客觀的過程，它與主體有關(guān)，與人類自身的知識結(jié)構(gòu)和經(jīng)歷有關(guān)。因此，需要突破單一結(jié)構(gòu)的智能研究。

人工智能的發(fā)展需要滿足以下五個條件：1） 充足的數(shù)據(jù)，2）確定性的問題，3）完備的知識，4）靜態(tài)，5）單一的系統(tǒng)。否則，發(fā)展人工通用智能將成為人工智能突破的最終解決方案。

研究了圖靈和馮諾依曼等人的早期著作和文章后，施路平發(fā)現(xiàn)，圖靈等人提出的人工智能的愿景，都是發(fā)展通用智能。他認(rèn)為，目前的人工智能具有非常好的發(fā)展契機(jī)，其原因包括：

1. 隨著先進(jìn)精密儀器的發(fā)展，人類對腦的理解越來越多，我們似乎到了一個理解腦的關(guān)口。

2. 超級計算機(jī)的發(fā)展為我們提供了更好的仿真模擬環(huán)境。

3. 大數(shù)據(jù)和云計算提供了一個和腦復(fù)雜度近似的世界，兩者相互促進(jìn)，共同發(fā)展。

4. 新型納米器件可以制造出和人腦神經(jīng)元能耗差不多級別的器件。

與AI技術(shù)相比，AGI可以處理不確定性問題，小數(shù)據(jù)、臟數(shù)據(jù)和缺失數(shù)據(jù)，可應(yīng)用于多維系統(tǒng)，無足夠應(yīng)對的知識以及動態(tài)系統(tǒng)。從根本上來講，AI技術(shù)更強(qiáng)調(diào)發(fā)展的能力，而AGI則更加關(guān)注如何把智能有機(jī)地融合起來，使一種能力的提升能夠幫助提升其他能力。

圖1：AI和AGI的比較

圖靈獎得主Geoffrey Hinton認(rèn)為，克服目前人工智能發(fā)展局限的關(guān)鍵是，搭建“一個連接計算機(jī)科學(xué)和生物學(xué)的橋梁”，該思想與施路平團(tuán)隊所提出的“雙腦融合”的思想一致。

電腦在計算能力、存儲速度、壽命等很多方面早已超過人類，而人腦具有感知、自適應(yīng)、創(chuàng)新、認(rèn)知等能力，計算機(jī)和大腦的基本原理正好相反，在原理上、功能上和形式上可以形成一個優(yōu)勢互補(bǔ)的系統(tǒng)，類腦計算是未來計算機(jī)的發(fā)展重要的領(lǐng)域。施路平認(rèn)為，腦科學(xué)的研究將會為許多科研工作者帶來新的科研啟發(fā)，“是一個非常重要的金礦”。

圖2：腦科學(xué)的戰(zhàn)略意義

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類腦計算主要做什么

類腦計算的研究涵蓋算法、硬件、芯片和系統(tǒng)等不同層面，是美、英、德等國的重點(diǎn)研究領(lǐng)域。從計算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展來看，類腦計算的發(fā)展需要芯片、軟件工具鏈、操作系統(tǒng)和應(yīng)用的協(xié)同發(fā)展。施路平認(rèn)為，芯片中的信息如何來承載、存儲、計算和利用是類腦芯片的關(guān)鍵，而軟件的核心技術(shù)問題是軟件環(huán)境中信息流如何分配、交流、調(diào)度和控制。

類腦計算可以表示為兩種：Brain-Inspired Computing 和 Brain-Like Computing，前一類是從計算機(jī)出發(fā)，盡可能借鑒腦科學(xué)的基本原理來改變計算機(jī)，而另一類是盡可能做到像腦，包括其功能和結(jié)構(gòu)上類腦。從諾貝爾獎和圖靈獎獲獎?wù)叩难芯縼砜?，大腦和計算機(jī)的研究是分別發(fā)展的，而目前的研究需要將兩者融合起來發(fā)展，形成“雙腦驅(qū)動”的發(fā)展模式。

圖3：諾貝爾獎和圖靈獎獲獎?wù)叩难芯?/span>

2016年，全球出現(xiàn)了三款類腦計算機(jī)，包括美國的TrueNorth、德國的BrainScales，以及英國的SpiNNaker。今年2月，清華大學(xué)開發(fā)設(shè)計了中國第一臺類腦計算機(jī)——天機(jī)電子計算機(jī)，該研究于人工智能雜志發(fā)表。8月，浙江大學(xué)發(fā)布了一款億級神經(jīng)元類腦計算系統(tǒng)。類腦計算的研究目前沒有公認(rèn)的確定方案，是IBM、惠普、英特爾等的重點(diǎn)研究領(lǐng)域。

圖4：近年來類腦計算的研究進(jìn)展

圖5：主要的類腦計算芯片

在最近發(fā)表于《自然機(jī)器智能》雜志上的一篇論文中，來自麻省理工學(xué)(MIT)、維也納技術(shù)大學(xué)和奧地利科技學(xué)院的研究團(tuán)隊設(shè)計了一種模仿生物模型的AI系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于類似蟯蟲等小動物大腦而開發(fā)的。

研究團(tuán)隊為神經(jīng)元和突觸開發(fā)了新的數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合受大腦啟發(fā)的神經(jīng)計算原理和可擴(kuò)展的深度學(xué)習(xí)架構(gòu)，為全棧自動駕駛車輛控制系統(tǒng)針對特定任務(wù)的分隔間制造了緊湊的神經(jīng)控制器。研究表明，僅使用少量的人工神經(jīng)元就能控制車輛。

施路平表示，在腦科學(xué)的發(fā)展中，類腦的精髓是提供一個“方向感”，指導(dǎo)人類的探索方向。

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怎么做類腦計算

類腦計算的研究面臨著科學(xué)挑戰(zhàn)、技術(shù)挑戰(zhàn)等，而其中最難也是最重要的一個挑戰(zhàn)是：多學(xué)科深度融合。為促進(jìn)多學(xué)科融合發(fā)展，清華大學(xué)成立了由七個院系組成清華大學(xué)內(nèi)腦計算研究中心，其研究主要分為三個層次：基礎(chǔ)科學(xué)、核心技術(shù)和應(yīng)用。

圖6：清華大學(xué)類腦研究架構(gòu)

清華大學(xué)類腦研究主要采用“大腦”和“電腦”雙腦驅(qū)動的發(fā)展戰(zhàn)略，以計算機(jī)為主體，融合腦原理，從理論、芯片、軟件、系統(tǒng)、應(yīng)用五個方面協(xié)同發(fā)展，發(fā)展方向從一個問題一個解決方案發(fā)展到一類問題一個解決方案，并逐漸發(fā)展到多類問題一個解決方案，同時和應(yīng)用緊密結(jié)合。

而類腦計算面臨的首要問題是，如何在不理解人腦機(jī)制的情況下發(fā)展類腦計算系統(tǒng)？

施路平認(rèn)為，即使我們不知道大腦的基本原理，但我們知道每個神經(jīng)元對外連接數(shù)目超過一千，換句話說，是利用空間復(fù)雜度，另外，對時間編碼可引入時空復(fù)雜度?；诖耍迦A大學(xué)提出通用類腦計算框架，通過增加類腦芯片，以實(shí)現(xiàn)計算機(jī)架構(gòu)處理結(jié)構(gòu)化信息，類腦芯片處理非結(jié)構(gòu)化信息的任務(wù)。這樣，即使不了解大腦結(jié)構(gòu)，也可以創(chuàng)造出一個新的計算架架構(gòu)。

圖7：清華大學(xué)通用類腦計算架構(gòu)

新的計算機(jī)架構(gòu)考慮了時空復(fù)雜性。計算機(jī)驅(qū)動的ANN技術(shù)能夠很好地反映空間復(fù)雜度，像腦一樣工作的SNN更多反映了時空復(fù)雜度，將腦科學(xué)驅(qū)動和計算機(jī)方法結(jié)合起來，是ANN和SNN融合的范例。

圖8：通用類腦計算的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

基于以上研究，清華大學(xué)設(shè)計構(gòu)造了全球首款異構(gòu)融合天機(jī)類腦芯片，用3%的代價實(shí)現(xiàn)了超過TrueNorth的各項特性，包括密度提高了20%，速度提高了10倍，帶寬擴(kuò)展了100倍，精度可調(diào)，擴(kuò)展性和靈活性更好等。該研究于去年8月在《Nature》上作為封面被發(fā)表。

圖靈架構(gòu)是整個計算機(jī)的基石，清華大學(xué)研究團(tuán)隊提出的類腦計算完備性，用通用近似的思想取代了完備計算的概念，約束的放寬更有利于發(fā)展新的計算架構(gòu)。剛剛過去的10月，清華大學(xué)研究團(tuán)隊在《Nature》上發(fā)表的文章，重點(diǎn)介紹了類腦計算的完備性、系統(tǒng)的層次性和一個軟件工具鏈。

圖9：類腦計算完備性

實(shí)際上，這是一個人工通用智能研究平臺，研究團(tuán)隊希望用這樣的一個系統(tǒng)和環(huán)境進(jìn)行交互，當(dāng)環(huán)境變化的時候，觀察系統(tǒng)的變化以及所遵循的基本原理，提出一個環(huán)境交互和迭代進(jìn)化的發(fā)展思路，通過利用該系統(tǒng)，構(gòu)建了一個全網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展的AGI演示平臺。

圖10：異構(gòu)全網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展AGI研究演示平臺

今年2月，清華大學(xué)研究團(tuán)隊發(fā)布了國內(nèi)首臺類腦計算機(jī)的樣機(jī)。該樣機(jī)是一個異構(gòu)融合的架構(gòu)，通過在CPU和GPU旁增加內(nèi)腦計算芯片，由主機(jī)處理結(jié)構(gòu)化信息，類腦計算芯片承擔(dān)異構(gòu)融合系統(tǒng)，同時來支撐ANN和SNN，以及它們之間異構(gòu)的建模。

圖11：國內(nèi)首臺類腦計算機(jī)的樣機(jī)

目前，清華大學(xué)正在研究基于類腦計算的云腦。基于現(xiàn)有服務(wù)器搭建云腦，該云腦將具有獨(dú)立數(shù)據(jù)庫、知識圖譜和軟件工具鏈，在解決五類基本問題后逐步發(fā)展。

圖12：類腦計算云腦

最后，施路平表示，目前計算機(jī)和人工智能的發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)需要我們發(fā)展類腦計算，而雙腦融合驅(qū)動是類腦計算發(fā)展的關(guān)鍵，類腦計算需要理論、芯片、軟件、系統(tǒng)和應(yīng)用協(xié)同發(fā)展，人工通用智能面向各行各業(yè)，雙腦驅(qū)動的類腦計算可以賦能各行各業(yè)。