「天機芯」團隊再登《自然》，清華1年多完成類腦計算領域「三連發」

北京時間10月14日

清華大學計算機系張悠慧團隊

精儀系施路平團隊與合作者

在《自然》（Nature）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

完成了清華大學一年多以來

在《自然》正刊的類腦計算領域「三連發」

自2019年8月1日刊登首篇論文，清華大學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。三篇論文分別從「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。

此次，清華大學施路平教授團隊研究的軟硬體去耦合的類腦計算系統層次結構，利用「天機芯」等硬體性能架構相互兼容（即軟硬體去耦合），擴展類腦計算系統應用範圍，使之能支持通用計算。以完善的計算完備性與軟硬體去耦合層次結構，實現用類腦計算構建通用人工智慧。

論文研究成果初體驗

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，通過理論論證與原型實驗證明該類系統的硬體完備性與編譯可行性，並擴展了類腦計算系統應用範圍使之能支持通用計算。

研究團隊提出了「類腦計算完備性」（也稱為神經形態完備性）概念。「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。

研究團隊進一步提出相應的類腦計算機層次結構，該結構具有三個層次：圖靈完備的軟體模型、類腦計算完備的硬體體系結構、位於兩者之間的編譯層，並設計構造性轉化算法將任意圖靈可計算函數轉換為類腦計算完備硬體上的模型。

在上述理論與算法基礎上，構建支持通用圖形處理器、類腦天機晶片和基於阻變存儲器的神經形態晶片（仿真）這三類硬體的軟體工具鏈示例，智能自行車（作為神經網絡應用代表）參與示範應用。

其中，施路平教授團隊研究的新型類腦計算晶片與系統，對開展通用人工智慧的應用具有深遠意義。

目前，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，這篇論文成果填補了完備性理論與相應系統層次結構方面的空白。

「天機芯」首次走入公眾視線

晶片僅是硬體產物，研發出與之配套的類腦計算架構，才能實現類腦計算軟體和硬體之間的兼容，快速促進類腦計算的開發效率。

可以說前期對「天機芯」的研究，為今年提出的「類腦計算系統層次結構」打下了堅實的基礎。

什麼是「天機芯」？

天機芯是一款實現異構融合的電子晶片，可以整合現有人工網絡算法，類腦的脈衝神經網絡算法，同時支持神經科學發現的眾多神經迴路網絡和異構網絡的混合建模，發揮它們各自的優勢。在自行車上利用一塊「天機芯」同時運行了包括卷積神經網絡在內的 5 種不同神經網絡，實現了無人自行車駕駛。

去年8月，施路平領銜的科研團隊，在《自然》雜誌第一周封面上發布全球首款異構融合類腦計算芯——「天機芯」，並由該晶片驅動了一臺實驗中的「無人駕駛自行車」，實現了中國在晶片和人工智慧兩大領域《自然》論文零的突破。這一成果被兩院院士選為2019年中國十大科技進展、科技部中國十大科學進展。

當時，Nature總編斯基珀博士在接受新華社專訪時稱讚清華天機晶片的論文將人工智慧中的計算機科學研究與神經科學研究結合起來，是人工智慧領域的重要裡程碑。

「天機芯」的成長軌跡

2015年，第一代「天機芯」問世。「第一代晶片的體積約為110納米，只是個DEMO（小樣）。」論文共同第一作者、清華大學儀器科學與技術研究所副研究員裴京介紹，經過不斷改進設計，2017年團隊研發了第二代「天機芯」晶片。

第二代「天機芯」基於脈衝神經網絡（SNN）的類腦計算算法與基於人工神經網絡（ANN）的深度學習算法集成到一顆晶片上。既支持單一計算範式，又支持二者異構建模，明確指向通用人工智慧。第二代「天機芯」具有高速度、高性能、低功耗的特點，體積縮小至28納米。

目前，「天機芯」已發展到第三代，是世界上首款異構融合類腦晶片，為進一步探索通用人工智慧領域提供了新的方向。開發出的第三代天機晶片或將用於安防視頻結構化分析、人臉檢測識別伺服器等應用上。

「天機芯」讓自行車有了「思想」

「天機芯」是結合了基於計算機科學和類腦計算的人工智慧晶片，可以像人類「大腦」一樣進行「思考」。

為了驗證天機晶片的處理能力，施路平教授團隊用自動駕駛的自行車做了試驗，並開發了一款無人智能自行車系統。

這款無人智能自行車系統包括了雷射測速、陀螺儀、攝像頭等傳感器，剎車電機、轉向電機、驅動電機等致動器，以及控制平臺、計算平臺、天機板級系統等處理平臺等。

搭載「天機芯」的無人智能自行車可以實時感知周圍環境，跟隨前方的試驗人員並自動進行避障的操作，並根據語音指令、視覺感知的反饋產生實時信號對電機進行控制，以達到保持平衡，改變行進狀態（包括橫向和縱向）。

人們直觀感受就是這輛自行車有了「思想」，能夠獨立完成自平衡、騎行減速和自動避障、過障。從原則上來說，這輛自行車能完成人類能夠完成的大部分命令。

類腦計算的未來應用

清華大學類腦計算研究中心已利用智慧財產權在中關村孵化了北京靈汐科技有限公司，靈汐科技已成為「天機芯」面向市場的進一步開發者。目前，靈汐科技已完成多款類腦晶片、異構編譯平臺和類腦融合算法的研發，處於本領域研究與產業化前沿。

清華「天機芯」團隊的成員之一、靈汐科技技術總監吳臻志表示，類腦計算科學家應該走向更廣闊的領域，創造屬於類腦計算的專屬應用，充分發掘類腦計算的廣泛內涵，做類腦計算擅長的事。

對類腦計算的未來應用，我們充滿期待。