登上Nature封面，清華施路平揭秘「天機」芯片研發(fā)歷程

2019-11-06 18:14

來源：澎湃新聞·澎湃號·湃客

作者：蛋醬

科技一直飛速改變著外在世界，類腦計算則讓我們開始審視內(nèi)心世界。11 月 3 日，清華大學(xué)類腦計算研究中心主任施路平登上 2019 騰訊科學(xué) WE 大會的講臺，與大家分享了自己在類腦計算方面的心得和經(jīng)驗。

8 月 1 日，《Nature》雜志的封面文章介紹了清華大學(xué)在通用人工智能上的新嘗試：一款名為「天機」的全新芯片架構(gòu)，結(jié)合類腦計算和人工智能算法，展示了迄今為止從未有人實現(xiàn)過的強大能力。

這一重量級研究的背后，是清華大學(xué)精密儀器系教授、類腦計算中心主任施路平帶領(lǐng)的團隊。

自從工業(yè)革命以來，我們陸續(xù)發(fā)明了蒸汽機、發(fā)電機、計算機……人類一直在努力推動科技進步，以此改善物質(zhì)世界。

「我們忽然發(fā)現(xiàn)，當(dāng)物質(zhì)生活發(fā)展很快的時候，我們的精神生活沒有同步。類腦計算的發(fā)展，給了我們一個向內(nèi)發(fā)展、審視自己內(nèi)心的機會，」施路平說道。

施路平在 2019 騰訊科學(xué) WE 大會。

施路平 2013 年加入清華大學(xué)，主要研究類腦計算模型和算法、類腦芯片和類腦計算機，并一手創(chuàng)建了類腦計算研究中心，他也是「天機芯」的研發(fā)者。在天機芯的控制下，一輛普通自行車實現(xiàn)了識別語音指令、自動控制平衡等功能，還能對前方行人進行探測和跟蹤，并自動避開障礙，在駕駛技術(shù)層面像真實的人類一樣靈活。

今年 8 月 1 日，「天機芯」登上了《Nature》的封面。那一篇《面向通用人工智能的混合天機芯片架構(gòu)》，也成為了中國研究團隊首篇在《Nature》上發(fā)表的橫跨芯片和人工智能兩大領(lǐng)域的論文。一時間，類腦計算被人們看作打開通用人工智能未來之門的鑰匙。

如果要了解類腦計算，我們要從「通用人工智能」談起。

「通用人工智能」是人類一直以來的夢想

通用人工智能不是一個新的 Idea，在圖靈、馮諾伊曼等早期計算機科學(xué)家的文章中都可以讀出來，通用人工智能是人類一直以來的夢想。正如施路平所說，在一定程度上，實現(xiàn)通用人工智能是人類研究人工智能的初衷。

直到幾十年后的今天，「通用人工智能」才有了比較好的實現(xiàn)條件，也呈現(xiàn)出了比較快的發(fā)展態(tài)勢。我們看到 AlphaGo 戰(zhàn)勝人類最高水平的圍棋選手，還有機器辯論選手可以打贏人類的冠軍，諸如此類。但人工智能仍然有一些局限性，施路平總結(jié)說，我們想讓人工智能「正常發(fā)揮」必須滿足五個條件：充足的數(shù)據(jù)、確定性的問題、完備的知識、靜態(tài)的環(huán)境、單一的系統(tǒng)。

現(xiàn)實不可能像理想中那么完美，我們想要的就是在「沒有充足數(shù)據(jù)甚至是假數(shù)據(jù)」、「沒有明確問題」的狀態(tài)條件下，依然能夠完美地處理問題的人工智能。試想，為什么人類能夠舉一反三、以不變應(yīng)萬變？答案在人腦中。

施路平認(rèn)為，人腦是目前唯一的通用智能體，在未來十年，我們必須學(xué)會借鑒人腦的原理，來改善計算機系統(tǒng)?？梢哉f，類腦計算是通用人工智能發(fā)展的基石。

研究「類腦」是一件正確的事

13 年前，施路平感知到了摩爾定律即將要失效，便開始了類腦計算的研究之路。不過這條路人煙稀少，類腦研究領(lǐng)域的很多東西都需要研究者去自己摸索。

施路平說，做研究可以挑選困難的來做，走著走著發(fā)現(xiàn)身邊已經(jīng)沒人了，堅持下來的自己就變成了領(lǐng)先的。當(dāng)然前提是這條路要正確，類腦計算就是一件「正確」的事。

他認(rèn)為，人的智能是建立在碳基上的，而現(xiàn)在的「數(shù)碼宇宙」是建立在硅基上的，碳基和硅基的結(jié)構(gòu)非常相近。他相信一點：「碳基上能夠?qū)崿F(xiàn)的，硅基上一定能夠?qū)崿F(xiàn)?！?/p>

用腦科學(xué)發(fā)展通用人工智能，有兩條路：一種是用腦科學(xué)的原理來改變計算機架構(gòu)，另一種就是發(fā)明「類腦」。

這兩條路都很好，「類腦」的創(chuàng)意思路更像人類在發(fā)明飛機時——那時候我們也不懂鳥類為什么能飛行，但只要我們模仿鳥類能模仿到極致，我們就掌握了飛行的要領(lǐng)。

同樣地，人類并不可能完全理解人腦，那怎么能發(fā)展類腦計算機？施路平的觀點是，計算機是把「多維」空間的信息轉(zhuǎn)化為「一維」的信息，用「時間復(fù)雜度」來解決問題。人腦有一千到一萬個神經(jīng)原來把信息擴輸，是用「空間復(fù)雜性」，這一點很重要。另外，人腦還使用脈沖來編碼，引進了時間的因素，可以說人腦的處理方式能夠兼顧「時空復(fù)雜度」。

做類腦計算，要保持時間復(fù)雜度，再增加空間復(fù)雜度——依靠的是「類腦芯片」。

這就是「天機芯」誕生之前的思考。

類腦計算推動通用人工智能賦能各行各業(yè)

「天機芯」的研究開始于 2012 年，第一代「「天機芯」」誕生于 2015 年，2017 年第二代「天機芯」出世以后，超越了 IBM 旗下的 TrueNorth 芯片，成為了當(dāng)時世界上最先進的人工智能芯片，其組建密度為 TrueNorth 的 1.2 倍，運算速度更是達到 TrueNorth 的 10 倍。

他們更加專注于架構(gòu)創(chuàng)新，提出了「異構(gòu)融合」這樣一個架構(gòu)，即「天機架構(gòu)」，這個架構(gòu)能夠?qū)⒛X和電腦異構(gòu)融合，也能將計算和存儲異構(gòu)融合。正像人類的腦那樣，人們通常說腦是計算與存儲一體的，實際上腦、計算、存儲既有分立的也有統(tǒng)一的，此外還包括編碼多樣性、精確和近似等特征。

「天機芯」的架構(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)，通常深度學(xué)習(xí)加速器只支持計算機科學(xué)模型，神經(jīng)形態(tài)芯片只支持神經(jīng)科學(xué)模型，但天機芯同時支持兩者的異構(gòu)建模。

此外，施路平團隊還利用類腦芯片構(gòu)建了人工通用智能研究平臺——一個可以和系統(tǒng)互動的多模態(tài)交叉研究平臺，利用環(huán)境變化逼迫系統(tǒng)變化，從而通過觀察系統(tǒng)變化來研究通用人工智能的基本規(guī)律。

最終，天機芯片讓一輛自行車完美實現(xiàn)了感知、追蹤、過障、避障、自動控制、語音理解、自主決策的功能。此外，團隊還開發(fā)了一個軟件工具鏈，也搭建了第一代類腦計算機。這項長達 7 年的研究登上了《Nature》封面，也讓眾人感知到了類腦計算研究的深遠(yuǎn)價值。

「這是一個非常具有挑戰(zhàn)性的長期研究?！故┞菲秸f，把腦科學(xué)主導(dǎo)的方法和計算機科學(xué)主導(dǎo)的方法融合起來，加上算法、芯片、軟件、硬件這樣一個全鏈條的設(shè)計，才能讓各個方面協(xié)同發(fā)展，真正讓類腦計算推動通用人工智能的發(fā)展，賦能各行各業(yè)，比如說自動駕駛汽車、智能機器人等常見領(lǐng)域。此外，因其低能耗、低成本等特性，類腦芯片在家庭和服務(wù)性場景中也大有用武之地。