清华“天机芯”团队再发重磅研究!以全新类脑计算系统实现通用人工智能

林志佳

林志佳

· 10月15日

这一成果填补了完备性理论与相应系统层次结构方面的空白,有利于自主掌握新型计算机系统核心技术。

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清华“天机芯”团队再发重磅研究!以全新类脑计算系统实现通用人工智能

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(图片来源:Pixabay)

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10月15日,清华大学计算机系张悠慧团队和精仪系施路平团队与合作者发表一项最新类脑计算体系结构的突破性研究成果,首次提出“类脑计算完备性”以及软硬件去耦合的类脑计算系统层次结构,通过理论论证与原型实验证明该类系统的硬件完备性与编译可行性,以及利用“天机”芯等硬件性能架构相互兼容(即软硬件去耦合),扩展类脑计算系统应用范围,使之能支持通用计算。从而以完善的计算完备性与软硬件去耦合层次结构,实现用类脑计算构建通用人工智能。

据悉,这一最新突破性研究成果于今晨登在顶级科学期刊《自然》(Nature)杂志上。

该论文作者表示,这一重要研究成果给类脑计算系统发展提供了一个理论基石。类脑计算是面向通用人工智能的重要计算能力,新的类脑计算系统层级架构为建立通用人工智能的标准和发展带来帮助。

去年8月,施路平领衔的科研团队,在《自然》杂志第一周封面上发布全球首款异构融合类脑计算芯——“天机芯”,并由该芯片驱动了一台实验中的“无人驾驶自行车”,实现了中国在芯片和人工智能两大领域《自然》论文零的突破。这一成果被两院院士选为2019年中国十大科技进展、科技部中国十大科学进展。

当时,Nature总编斯基珀博士在接受新华社专访时称赞清华天机芯片的论文将人工智能中的计算机科学研究与神经科学研究结合起来,是人工智能领域的重要里程碑。

而芯片仅为硬件产物,与之配套的类脑计算架构是十分有必要的,这可实现类脑计算软件和硬件之间的兼容,快速促进类脑计算的开发效率。

类脑计算与传统计算机架构不同,后者是围绕图灵完备和完善的冯·诺依曼体系结构,前者则还没有没有广义的系统层次结构。

为此,基于之前的研究基础,今年,研究团队以“类脑计算完备性”(也称为神经形态完备性)概念,提出一种具有高度通用性和普适性的类脑计算系统层次结构。

根据刚刚出炉的论文所述,这一结构主要包括三个层次:软件、硬件和编译。

其中,软件层指的是神经形态应用和开发框架(如 Nengo和PyTorch),研究团队设计构造性转化算法,将任意图灵可计算函数转换为类脑计算完备硬件上的模型;硬件层则包括所有类脑芯片和架构模型,以EPG( execution primitive graph)接口作为纽带,最大化实现其对不同硬件的适应性,形成完备的类脑计算硬件体系结构;编译层则位于两者之间,将一个程序转化为硬件所支持的一种等价形式,实现类脑计算和传统数字计算的交融,从而为支持各种应用程序(不限于神经网络类型)的编程提供基础,提高大脑启发式计算的开发能力。

类脑计算机层次结构(左)与现有通用计算机(右)的对比

类脑计算机层次结构(左)与现有通用计算机(右)的对比

在上述理论与算法基础上,科研人员构建支持通用图形处理器、类脑天机芯片和基于阻变存储器的神经形态芯片(仿真)这三类硬件的软件工具链示例,并以智能自行车(作为神经网络应用代表)、鸟群模拟、QR分解(后两者作为非神经网络的通用计算应用代表)为示范应用,证实了设计的可行性,同时测试显示这一设计能够大幅提升系统优化空间,进而显著提升系统效能。

清华大学方面表示,这项研究成果为处于起步阶段的类脑计算方向,在类脑计算系统领域作出了基础性、原创性的贡献,填补了完备性理论与相应系统层次结构方面的空白,有利于自主掌握新型计算机系统核心技术。

同时,这是一年多来,清华大学在继“天机芯”和“多阵列忆阻器存算一体系统”之后于《自然》正刊发表的第三篇成果,是清华大学计算机系以第一完成单位/通讯单位发表的首篇《自然》杂志论文。

《自然》杂志的一位审稿人认为:“这是一个新颖的观点,并可能被证明是神经形态计算领域以及对人工智能的追求的重大发展。”

近年来,类脑计算研究受到了越来越多的关注。

众所周知,摩尔定律正面临挑战,传统的数字计算能力进步速度在趋缓,从而促使人们寻找替代方案。而长期以来,科学家一直对大脑的计算能力着迷,由于其神经元和突触结构而具有独特的信息处理性能,产生了类脑计算这一新的科学领域。

类脑计算是借鉴生物神经系统信息处理模式和结构的计算理论、体系结构、芯片设计以及应用模型与算法的总称。

2007年2月,在德国召开的首届国际类脑智能研讨会上,Sendhoff, Bernhard等人首次发表关于类脑智能化研究,定义类脑智能为实现高度进化的生物脑所表现出的智能,从而开启新的类脑计算时代。

十年后,日本Kamitani团队提出了基于深度学习的神经解码研究,分析了计算机视觉模型和人脑视觉之间的联系和差异,将大脑信号数据和代码开源,从而为类脑计算提供基础编码知识,让类脑计算能力向前走了一大步。

目前,整个类脑计算产业仍处于“盲人摸象”的起步阶段,还缺乏典型的成功应用。而清华大学连续发表三份的类脑计算领域的计算研究,让类脑计算领域有了新的开发方向。

钛媒体从清华大学方面了解到,基于现有(二代)天机芯片的天机类脑计算机于今年年初对外展示,其系统已能满足类脑智能应用需求。目前,清华大学类脑计算研究中心正在开发第三代“天机芯”以及新型类脑计算机,对外发布时间则暂未透露。(本文首发钛媒体App,作者 | 林志佳,编辑|赵宇航)

本文系作者林志佳授权钛媒体发表,并经钛媒体编辑,转载请注明出处、作者和本文链接
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