最近在清華大學(xué)校園里，最近出現(xiàn)了一輛奇特的自行車：它好像一只乖巧的寵物狗，不僅能根據(jù)指令拐彎、加速，還會(huì)自動(dòng)繞開障礙物、跟著主人跑。

驅(qū)動(dòng)這輛自行車的，是一塊同時(shí)融合了類腦計(jì)算和基于計(jì)算機(jī)科學(xué)人工智能的新型芯片——這種融合技術(shù)有望最終實(shí)現(xiàn)人工通用智能。

今天凌晨，英國(guó)《自然》雜志在線發(fā)表了清華大學(xué)類腦計(jì)算研究中心施路平教授及其同事的這款名為“天機(jī)”（Tianjic）的芯片以及基于此研究成果的論文“面向人工通用智能的異構(gòu)天機(jī)芯片架構(gòu)”（Towards artificial general intelligence with hybrid Tianjic chip architecture）

論文鏈接：https://www./articles/s41586-019-1424-8

融合計(jì)算機(jī)科學(xué)+神經(jīng)科學(xué)?，推進(jìn)AGI發(fā)展

盡管阿爾法狗打敗了人類頂級(jí)棋手，但這項(xiàng)技術(shù)只能用于下圍棋。要發(fā)展高級(jí)人工智能，必定需要發(fā)展人工通用智能。

許多AI專家認(rèn)為通用人工智能（AGI）只是一個(gè)牽強(qiáng)附會(huì)的夢(mèng)想，而其他人則在尋求AGI時(shí)獲得靈感。在去年11月舉行的AI Frontiers會(huì)議上，OpenAI創(chuàng)始人兼研究總監(jiān)Ilya Sutskever說：“我們（OpenAI）在過去幾年中已經(jīng)回顧了該領(lǐng)域的進(jìn)展。我們的結(jié)論是近期AGI應(yīng)該被認(rèn)為是一種特別大的可能性?！?

在現(xiàn)階段， 發(fā)展人工通用智能的方法主要有兩條技術(shù)路線： 一種是以神經(jīng)科學(xué)為基礎(chǔ)，盡量模擬人類大腦；另一種是以計(jì)算機(jī)科學(xué)為導(dǎo)向，讓計(jì)算機(jī)運(yùn)行機(jī)器學(xué)習(xí)算法。實(shí)現(xiàn)人工通用智能的最終方法之一是讓兩者結(jié)合，但由于兩套系統(tǒng)使用的平臺(tái)各不相同且互不兼容，極大地限制了人工通用智能的發(fā)展。

“天機(jī)芯“集成了兩種方法，以提供混合、協(xié)同平臺(tái)。 Tianjic芯片采用多核架構(gòu)，可重構(gòu)構(gòu)建模塊和采用混合編碼方案的流線型數(shù)據(jù)流，不僅可以適應(yīng)基于計(jì)算機(jī)科學(xué)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，還可以輕松實(shí)現(xiàn)腦啟動(dòng)電路和多種編碼方案。

僅使用一個(gè)芯片，就可以在無人駕駛自行車系統(tǒng)中同時(shí)處理多種算法和模型，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)物體檢測(cè)，跟蹤，語音控制，避障和平衡控制。

“原則上，人工通用智能平臺(tái)可以執(zhí)行人類能夠完成的所有任務(wù)，但這是一個(gè)長(zhǎng)遠(yuǎn)的目標(biāo)?！笔┞菲秸f，這需要讓芯片能夠識(shí)別、處理各種不同來源的信息，就好比在芯片上建起一座“巴別塔”，讓不同種類的機(jī)器“語言”在這里找到能相互理解、溝通的“世界語”。

因此，該研究中心花費(fèi)了大量精力，用以構(gòu)建未來支撐人工通用智能發(fā)展的類腦計(jì)算芯片的框架，在經(jīng)過反復(fù)研討后，終于提出“異構(gòu)融合”這一類腦計(jì)算芯片的設(shè)計(jì)理念。

研究團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)重要?jiǎng)?chuàng)新是Tianjic的統(tǒng)一功能核心（FCore）， 它結(jié)合了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和生物網(wǎng)絡(luò)的基本構(gòu)建模塊 - 軸突、突觸、樹突和體細(xì)胞塊。 28-nm芯片由156個(gè)FCores組成，在3.8×3.8 mm2的區(qū)域內(nèi)包含大約40,000個(gè)神經(jīng)元和1000萬個(gè)突觸。

Tianjic提供超過每秒610千兆字節(jié)（GB）的內(nèi)部存儲(chǔ)器帶寬，以及運(yùn)行人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的每瓦特每秒1.28 tera操作（TOPS）的峰值性能。在生物啟發(fā)的尖峰神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式中，Tianjic實(shí)現(xiàn)了每瓦約650千兆每秒突觸操作（GSOPS）的峰值性能。研究團(tuán)隊(duì)還展示了與GPU相比天鷹的卓越性能，其中新芯片的吞吐量提高了1.6-100倍，電源效率提高了12-10000倍。

芯片評(píng)估和建模

研究團(tuán)隊(duì)還設(shè)計(jì)了一個(gè)自動(dòng)駕駛自行車實(shí)驗(yàn)來評(píng)估芯片整合多模態(tài)信息和做出迅速?zèng)Q策的能力。配備天鷹芯片和IMU傳感器、攝像頭、轉(zhuǎn)向電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、調(diào)速電機(jī)和電池，自行車的任務(wù)是執(zhí)行實(shí)時(shí)物體檢測(cè)，跟蹤，語音命令識(shí)別，騎行減速帶等功能，避障，平衡控制和決策。

研究小組開發(fā)了各種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN，CANN，SNN和MLP網(wǎng)絡(luò)）來完成每項(xiàng)任務(wù)。這些模型經(jīng)過預(yù)先訓(xùn)練并編程到Tianjic芯片上，可以并行處理模型，實(shí)現(xiàn)不同模型之間的無縫片上通信。

在實(shí)驗(yàn)中， Tianjic動(dòng)力自行車順利完成了所有指定的任務(wù)，標(biāo)志著AGI發(fā)展加速的巨大飛躍。

研究小組還指出，“通過隨機(jī)將新變量實(shí)時(shí)引入環(huán)境中可以產(chǎn)生高時(shí)空復(fù)雜性，例如不同的道路條件、噪聲、天氣因素、多種語言、更多人等等。通過探索允許適應(yīng)這些環(huán)境變化的解決方案，可以檢查對(duì)AGI至關(guān)重要的問題 - 例如概括，穩(wěn)健性和自主學(xué)習(xí)。

“天機(jī)芯“的前世今生

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?！斑@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?！笔┞菲秸f，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。

施路平教授

“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。

本次發(fā)表于《自然》雜志的已是天機(jī)的第二代芯片，如今，第三代芯片也已在研發(fā)中。 據(jù)悉，清華大學(xué)已成立了科技公司進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化，近期已完成天使輪融資，明年可發(fā)布商用芯片。

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?？梢哉f，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自6個(gè)院系，其中共同第一作者就來自精儀、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)行開發(fā)?！拔磥恚鞕C(jī)芯’將由靈汐科技負(fù)責(zé)推向市場(chǎng)?！彼f。

參考鏈接：http://www./zhuzhan/kjwz/20190801/280517.htmlhttp://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2019/7/348277.shtmhttps:///syncedreview/nature-cover-story-chinese-teams-tianjic-chip-bridges-machine-learning-and-neuroscience-in-f1c3e8a03113

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