最近在清華大學校園里，最近出現了一輛奇特的自行車：它好像一只乖巧的寵物狗，不僅能根據指令拐彎、加速，還會自動繞開障礙物、跟著主人跑。

驅動這輛自行車的，是一塊同時融合了類腦計算和基于計算機科學人工智能的新型芯片——這種融合技術有望最終實現人工通用智能。

今天凌晨，英國《自然》雜志在線發(fā)表了清華大學類腦計算研究中心施路平教授及其同事的這款名為“天機”（Tianjic）的芯片以及基于此研究成果的論文“面向人工通用智能的異構天機芯片架構”（Towards artificial general intelligence with hybrid Tianjic chip architecture）

論文鏈接：https://www./articles/s41586-019-1424-8

融合計算機科學+神經科學?，推進AGI發(fā)展

盡管阿爾法狗打敗了人類頂級棋手，但這項技術只能用于下圍棋。要發(fā)展高級人工智能，必定需要發(fā)展人工通用智能。

許多AI專家認為通用人工智能（AGI）只是一個牽強附會的夢想，而其他人則在尋求AGI時獲得靈感。在去年11月舉行的AI Frontiers會議上，OpenAI創(chuàng)始人兼研究總監(jiān)Ilya Sutskever說：“我們（OpenAI）在過去幾年中已經回顧了該領域的進展。我們的結論是近期AGI應該被認為是一種特別大的可能性?！?

在現階段， 發(fā)展人工通用智能的方法主要有兩條技術路線： 一種是以神經科學為基礎，盡量模擬人類大腦；另一種是以計算機科學為導向，讓計算機運行機器學習算法。實現人工通用智能的最終方法之一是讓兩者結合，但由于兩套系統(tǒng)使用的平臺各不相同且互不兼容，極大地限制了人工通用智能的發(fā)展。

“天機芯“集成了兩種方法，以提供混合、協(xié)同平臺。 Tianjic芯片采用多核架構，可重構構建模塊和采用混合編碼方案的流線型數據流，不僅可以適應基于計算機科學的機器學習算法，還可以輕松實現腦啟動電路和多種編碼方案。

僅使用一個芯片，就可以在無人駕駛自行車系統(tǒng)中同時處理多種算法和模型，實現實時物體檢測，跟蹤，語音控制，避障和平衡控制。

“原則上，人工通用智能平臺可以執(zhí)行人類能夠完成的所有任務，但這是一個長遠的目標?！笔┞菲秸f，這需要讓芯片能夠識別、處理各種不同來源的信息，就好比在芯片上建起一座“巴別塔”，讓不同種類的機器“語言”在這里找到能相互理解、溝通的“世界語”。

因此，該研究中心花費了大量精力，用以構建未來支撐人工通用智能發(fā)展的類腦計算芯片的框架，在經過反復研討后，終于提出“異構融合”這一類腦計算芯片的設計理念。

研究團隊的一項重要創(chuàng)新是Tianjic的統(tǒng)一功能核心（FCore）， 它結合了人工神經網絡和生物網絡的基本構建模塊 - 軸突、突觸、樹突和體細胞塊。 28-nm芯片由156個FCores組成，在3.8×3.8 mm2的區(qū)域內包含大約40,000個神經元和1000萬個突觸。

Tianjic提供超過每秒610千兆字節(jié)（GB）的內部存儲器帶寬，以及運行人工神經網絡的每瓦特每秒1.28 tera操作（TOPS）的峰值性能。在生物啟發(fā)的尖峰神經網絡模式中，Tianjic實現了每瓦約650千兆每秒突觸操作（GSOPS）的峰值性能。研究團隊還展示了與GPU相比天鷹的卓越性能，其中新芯片的吞吐量提高了1.6-100倍，電源效率提高了12-10000倍。

芯片評估和建模

研究團隊還設計了一個自動駕駛自行車實驗來評估芯片整合多模態(tài)信息和做出迅速決策的能力。配備天鷹芯片和IMU傳感器、攝像頭、轉向電機、驅動電機、調速電機和電池，自行車的任務是執(zhí)行實時物體檢測，跟蹤，語音命令識別，騎行減速帶等功能，避障，平衡控制和決策。

研究小組開發(fā)了各種神經網絡（CNN，CANN，SNN和MLP網絡）來完成每項任務。這些模型經過預先訓練并編程到Tianjic芯片上，可以并行處理模型，實現不同模型之間的無縫片上通信。

在實驗中， Tianjic動力自行車順利完成了所有指定的任務，標志著AGI發(fā)展加速的巨大飛躍。

研究小組還指出，“通過隨機將新變量實時引入環(huán)境中可以產生高時空復雜性，例如不同的道路條件、噪聲、天氣因素、多種語言、更多人等等。通過探索允許適應這些環(huán)境變化的解決方案，可以檢查對AGI至關重要的問題 - 例如概括，穩(wěn)健性和自主學習。

“天機芯“的前世今生

2012年，施路平放棄了新加坡的優(yōu)渥待遇，接受了時任清華大學人事主管邱勇（現清華大學校長）的邀請，加入清華大學參與創(chuàng)建類腦計算研究中心?！斑@是一個非常有前途的領域，但也極具風險和挑戰(zhàn)性?！笔┞菲秸f，團隊制定了目標，即發(fā)展類腦計算，支撐人工通用智能。

施路平教授

“因為我們做的不是仿腦，不需要模仿人腦的一切。我們做的是類腦，是借鑒腦科學的基本原理，凝練出一些指導計算架構發(fā)展的新規(guī)律?！笔┞菲浇榻B，在此基礎上，團隊提出了符合腦科學基本規(guī)律的新型類腦計算架構——異構融合的天機類腦計算芯片架構，可同時運行計算機科學和神經科學導向的絕大多數神經網絡模型。

基于腦科學研究和電腦運行模式的異同點，團隊從電路設計到編碼再到信號處理，采用了軟硬件協(xié)同設計方法。研發(fā)的天機架構既支持人工神經網絡又支持脈沖神經網絡，還支持神經科學發(fā)現的眾多神經回路網絡和異構網絡的混合建模，可發(fā)揮它們各自的優(yōu)勢。

2015年，第一代“天機芯”問世。

“第一代芯片的體積約為110納米，只是個DEMO（小樣）?！闭撐墓餐谝蛔髡?、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(fā)了第二代“天機芯”芯片。

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。相比于當前世界先進的IBM的TrueNorth芯片，其功能更全、靈活性和擴展性更好，密度提升20%，速度提高至少10倍，帶寬提高至少100倍。

本次發(fā)表于《自然》雜志的已是天機的第二代芯片，如今，第三代芯片也已在研發(fā)中。 據悉，清華大學已成立了科技公司進行產業(yè)化，近期已完成天使輪融資，明年可發(fā)布商用芯片。

學科交叉共融為最大特色

腦科學的研究機理是認知科學的重要組成部分，而機器理解與計算一直是人工智能領域的主要研究內容?？梢哉f，該研究帶有明顯的學科交叉屬性，比如信息科學、神經科學、材料科學等學科的交叉——而這也是施路平十多年來感受頗深的地方。

“發(fā)展類腦計算芯片是個世界性難題。它真正的挑戰(zhàn)不是科學，也不是技術，而是多學科融合?！笔┞菲浇榻B，清華大學類腦計算研究中心依托精儀系聯合計算機、電子、微電子、自動化、材料和醫(yī)學院7個相關院系共建，學校從一開始就為類腦計算中心制定了多學科融合引領新方向、產學研結合的發(fā)展戰(zhàn)略。

此次論文共同作者來自6個院系，其中共同第一作者就來自精儀、生物工程、自動化和計算機4個系。

施路平表示，類腦計算中心科研人員將按照清華大學“頂天立地做研究”的思路，專注基礎科學技術突破。其中，類腦計算中心孵化的北京靈汐科技將直接面對市場應用進行開發(fā)?！拔磥?，‘天機芯’將由靈汐科技負責推向市場。”他說。

參考鏈接：http://www./zhuzhan/kjwz/20190801/280517.htmlhttp://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2019/7/348277.shtmhttps:///syncedreview/nature-cover-story-chinese-teams-tianjic-chip-bridges-machine-learning-and-neuroscience-in-f1c3e8a03113

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