清華團隊填補腦計算系統領域理論空白

2020-10-22 今日科學

10月14日，清華大學計算機科學與技術系教授張悠慧團隊、精密儀器系教授施路平團隊與合作者在《自然》雜誌發文，首次提出「類腦計算完備性」以及軟硬體去耦合的類腦計算系統層次結構。該研究項目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，清華大學在類腦計算領域在《自然》正刊發表的第三篇成果，同時也是我國高校計算機系以第一完成單位/通訊單位發表的首篇《自然》論文。

據介紹，在通用計算領域有兩個著名概念——「圖靈完備性」和「馮·諾依曼體系結構」。其中，前者用來衡量計算系統是否能夠用來解決任何計算性問題。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。

「圖靈完備性與馮·諾依曼體系結構可以使通用計算領域在軟體層、編譯層和硬體層具有統一的範式，從而使不同層次、各自發展而又可以無縫兼容。」在接受《中國科學報》記者採訪時，張悠慧介紹說。

然而在類腦計算研究領域，由於相關研究尚處於起步階段，目前相關研究大多聚焦於具體的晶片、工具鏈、應用和算法的創新實現，忽略了從宏觀和抽象層面上對計算完備性和體系結構的思考。到目前為止，國際上還沒有形成公認的技術標準與方案。

「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。」張悠慧表示，如果說，「圖靈完備性」是通用計算機領域的「圭臬」，那麼她們從事的「類腦計算完備性」研究，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」。

在研究過程中，研究團隊針對類腦計算不像通用計算那樣注重每個計算過程的精確度，而是更加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。通過相關算法，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。」施路平說。

對於該項研究，《自然》雜誌審稿人評價其「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」。

據悉，未來在理論層面，該團隊的科研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，團隊將致力於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。（來源：中國科學報 陳彬）

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-020-2782-y

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