類腦計算機層次結構（左）與現有通用計算機（右）的對比。清華大學供圖
張悠慧與學生們在開組會。清華大學供圖
施路平教授團隊在《自然》發表封面文章。清華大學供圖
中青報·中青網記者 葉雨婷 通訊員 詹 萌
想像有一天，機器可以像人一樣思考和處理問題，這對於21世紀的我們早已不是一個陌生的話題。人工通用智能的夢想鞭策著人類不斷探索腦科學的奧秘與用機器模擬生物神經網絡的結構和信息加工的潛力，而後者就是我們所說的類腦計算，也叫神經形態計算。
然而，目前的類腦計算研究尚處於起步階段，國際上還沒有形成公認的技術標準與方案。10月14日，清華大學計算機系張悠慧團隊和精儀系施路平團隊與合作者在《自然》雜誌發表題為《一種類腦計算系統層次結構》的論文，填補了類腦計算系統領域完備性理論與相應的類腦計算系統層次結構方面的空白。
這是一年多來，清華團隊在類腦計算領域繼「天機芯」和「多陣列憶阻器存算一體系統」之後於《自然》正刊發表的第三篇成果，也是國內計算機體系結構領域首篇《自然》論文。
為類腦計算系統領域提供「準繩」
如果說，「圖靈完備性」是通用計算機領域的「圭臬」，那麼「類腦計算完備性」則是希望也能夠為類腦計算系統領域的發展提供一個「準繩」。
通用計算領域有兩個著名概念，一個是「圖靈完備性」，另一個是「馮·諾依曼體系結構」。前者用來衡量計算系統是否能夠用來解決通用計算問題，後者則是通用計算機運作的體系結構，該結構具有存儲部件與計算部件分離、程序與數據統一存儲等特性。這兩個基本概念幾乎構建起了目前所有處理器、計算機、手機等設備的基本架構。
然而，現有類腦計算系統研究卻沒有這樣的理論架構。類腦計算軟硬體間的高度耦合阻礙了它們在獨立發展的同時互相兼容的可能性，如何突破這一局面，擴展類腦計算系統的應用場景？這成了團隊下決心要解決的重點問題。
「通用計算領域的圖靈完備性和馮·諾依曼體系結構都是非常基礎、大家也非常熟悉的概念，以至於很多人都不會意識到，對於新興的類腦計算系統領域，這是一個需要首先解決的問題。」計算機系研究員張悠慧說。
從傳統通用計算機的設計哲學和方法論中汲取靈感和經驗，團隊針對類腦計算不像通用計算注重每一個計算過程的精確而更注重結果擬合的特性，提出了對計算過程和精度約束更低的類腦計算完備性概念，並且設計了相應的類腦計算機層次結構：圖靈完備的軟體模型，類腦計算完備的硬體體系結構，以及位於兩者之間的編譯層。
另外，通過構造性轉化算法，任意圖靈可計算函數都可以轉換為類腦計算完備硬體上的模型，這意味著類腦計算系統也可以支持通用計算，極大地擴展了類腦計算系統的應用領域，也使類腦計算軟硬體各自獨立發展成為可能。
「通俗來講，『完備性』可以回答系統能夠完成什麼、功能邊界在哪裡等問題。研究完備性，可以為軟硬體系統的解耦合、劃分不同研究領域間的任務分工與接口提供理論基礎，我們的研究聚焦完備性理論研究，先回答基本的問題。」張悠慧說。
交叉學科的「火花」，成就《自然》「三連發」
這一突破，是學科交叉的成果。
類腦計算屬於交叉研究領域，涉及腦科學、電子、微電子、計算機、自動化、材料以及精密儀器等多個學科。學科交叉意味著研究中需要集各科之所長，但是專業壁壘卻增加了學科之間互相理解、協同配合的難度。如何讓一個生物學家不必深入鑽研計算機理論卻依然能理解進而將自己的專業前沿成果結合到類腦計算當中？這是交叉研究項目面臨的現實問題。
《自然》雜誌審稿人說，這項研究「使得相關研究領域間的任務分工與接口更為清晰，有利於不同學科的研究人員專注於其專業領域、促進協同發展」。
2019年，一輛「成了精」的自行車成為了網絡熱點。這輛無人自行車可實時感知周圍環境，自己保持平衡騎行。而它的「大腦」，正是施路平教授團隊研製的「天機」（Tianjic）人工通用智能晶片。這款由中國自主研製的晶片，更是全球首款異構融合類腦晶片。2019年8月1日，它登上了最新一期《自然》雜誌的封面。
而此次文章的發表，意味著清華大學相關團隊在一年多的時間內完成了類腦計算領域《自然》正刊三連發——從「天機芯」登上《自然》封面開始，到2020年年初的的文章（微納電子系吳華強教授團隊與合作者），直至此次一文，上述論文分別從「異構融合的新型類腦計算晶片與系統」「基於憶阻器件的神經形態晶片」以及「類腦計算完備性與系統層次結構」等角度完成了類腦計算領域的首次實現。
事實上，只有不讓研究人員分心，專於所長，推動各個具體學科領域的技術突破，才能為類腦計算提供更加堅實的基礎和支持。
「施路平教授團隊的研究面向新型類腦計算晶片與系統，是在面向人工通用智能的應用方面開展工作，可以說是我們工作的牽引。而吳華強教授團隊在新器件、新工藝層面的創新，則是我們工作的推動。對於我們研究的計算機系統結構而言，兩者都是重要的支撐。」張悠慧說：「我們很榮幸能參與其中，進一步探索計算理論和計算系統架構的問題。」
據了解，清華大學對學科交叉要求極高的類腦計算研究高度重視，堅持有組織的科研，於2014年9月創立由7家院系聯合而成的類腦計算研究中心，精儀系施路平教授擔任中心主任。中心融合了腦科學、電子、微電子、計算機、自動化、材料以及精密儀器等學科，進行全方位類腦智能研究。
儘管文章從投稿到最終發表經歷了不到一年的時間，但這項成果的產生並不是一蹴而就的。在類腦計算系統設計和編譯技術上，團隊就已經在過去幾年的不懈研究中打下了堅實的基礎，加之此前清華在類腦領域新進展的借鑑與啟發，都為這次類腦計算完備性和類腦計算系統層次結構的提出提供了技術和方法上的支持。
「小團隊」的「大項目」
在學科「大咖」的支持和青年「後浪」的努力下，這個「小團隊」最終做成了類腦計算系統理論與原型構建的「大項目」。
從今年春節前夕投稿，到8月上旬正式被接收，論文的兩輪修改都是在疫情期間完成的。整個審稿過程無法在線下交流討論和開展實驗，對於團隊而言無疑是一個挑戰。「但從另一個角度看，因為疫情期間哪兒也去不了，我們能更加潛心和專一地去做好這一件事。」張悠慧說。
研究小組努力克服交流不便、實驗數據處理困難等問題，對文章的實驗設計做了較大補充與改進。
「一開始審稿人認同我們研究問題的意義，但是並不理解我們對於研究問題的解決思路，對於是否有必要進行底層的計算理論設計，審稿人提出了質疑。」計算機系博士後渠鵬說，「但是通過對整體行文邏輯、文章內容和原型實驗的反覆斟酌修改，以及對研究思路和質疑點的一一反饋，審稿人最後認同了我們的設計理念。」
今年剛畢業的博士生季宇是完成計算完備性相關工作的關鍵主力，因為在科研方面的優異表現，他的博士論文也被評為清華大學優秀博士論文。另一位文章的共同第一作者是精儀系的張偉豪，師從施路平教授的他提出了能夠充分利用類腦計算完備性的硬體抽象體系結構與映射方法，施路平教授的另一位博士生王冠睿則負責了全部硬體工作。大家各取所長，共同搭建起了類腦計算系統的層次結構。
70多頁的反饋文件，一次又一次的討論、修改、迭代，見證了團隊一步一步迎難而上的努力。「當審稿人說我們的研究明確了不同領域的分工和接口，將對類腦計算的交叉研究產生積極作用時，我真的很受鼓舞，感覺到自己研究的東西是十分有意義的，也是被類腦計算社區所認可的。」渠鵬說。
施路平表示，未來，在理論層面，團隊將更關注類腦應用的「神經形態特性」，並希望最終建立起一個與圖靈完備相對應的全新類腦計算理想範式；在系統層面，團隊將依託計算機系高性能所在超算與晶片方面的雄厚實力，研發受腦啟發的支持通用計算的新型計算機系統結構與晶片。
「儘管目標遠大，道阻且長，但日積跬步，終將到達千裡之外。至於是否能實現最初的夢想，時間會給所有的努力一個答案。」施路平說。
來源：中國青年報客戶端