清華大學團隊完成《自然》類腦計算領域首次刊文

我國首篇以「計算機系作為第一完成單位」的論文登上《自然》，論文首次提出「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。「這是一個新穎的觀點，並可能被證明是神經形態計算領域以及對人工智慧的追求的重大發展。」

對於我國學術界來說，在世界頂級學術期刊《自然》上刊發論文早已不是啥大事兒。但是「以計算機系作為第一完成單位，論文被《自然》刊發，在我們國家還是第一篇。我的一些搞計算機研究的朋友知道了這個消息，都特別開心。」中國工程院院士鄭緯民語氣中難掩激動！

被鄭院士點名的這篇論文，就是10月14日，被《自然》刊發的題為《一種類腦計算系統層次結構》（A system hierarchy for brain-inspiredcomputing）的論文，由清華大學計算機科學與技術系（以下簡稱「計算機系」）張悠慧團隊、精密儀器系（以下簡稱「精儀系」）施路平團隊與合作者共同完成，清華大學計算機系是第一完成單位。

「從除夕夜提交論文到8月上旬被接受，這個審稿時間是非常快的。」清華大學類腦計算研究中心主任、精儀系教授施路平告訴記者。「受新冠肺炎疫情影響，論文的兩輪修改都是由各團隊通過線上緊密合作完成，我們通過和審稿人交流，針對文章實驗設計回復了超過70頁的反饋文件。」

論文首次提出「類腦計算完備性」（也稱為神經形態完備性）概念——針對任意給定誤差ϵ≥0和任意圖靈可計算函數f(x)，如果一個計算系統可以實現函數 F(x) 使得 ‖F(x)-f(x)‖≤ϵ對所有合法的輸入x均成立，那麼該計算系統是類腦計算完備的。

張悠慧研究員

「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，能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。」張悠慧告訴記者。類腦計算處於起步階段，國際上尚未形成公認的技術標準與方案，這一成果填補了完備性理論與相應系統層次結構方面的空白，利於自主掌握新型計算機系統核心技術。

《自然》雜誌的一位審稿人認為「這是一個新穎的觀點，並可能被證明是神經形態計算領域以及對人工智慧的追求的重大發展（This is a novel perspective and could prove to be a significantdevelopment for the field of neuromorphic computing, and in the quest forartificial general intelligence）」。

計算機體系結構專家、華中科技大學計算機學院教授金海評價此項研究「在類腦計算系統領域做出了基礎性、原創性的貢獻，有利於自主掌握新型計算系統軟硬體核心技術。」

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」。這使得通用計算領域在軟體層、編譯層和硬體層都有了統一的範式，使不同層次各自發展而又可以無縫兼容。

「但是，現有的類腦計算系統研究大多聚焦於如何實現具體的晶片、工具鏈、應用和算法的創新，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，阻礙了類腦計算軟硬體的獨立發展和互相兼容的可能性，我們一直在思考如何突破這一局面，擴展類腦計算系統的應用場景？」提起科研的初衷，張悠慧告訴記者。

團隊針對類腦計算特性——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，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。

類腦計算機層次結構（左）與現有通用計算機（右）的對比

「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。」團隊成員、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。」

張悠慧（右）與博士後渠鵬探討問題

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，真的特別受鼓舞，感覺到團隊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。