類腦計(jì)算,將成為解開大腦秘密和進(jìn)入通用人工智能大門的“鑰匙”。

“只要大腦的奧秘尚未大白于天下,宇宙將仍是個(gè)謎�！�

                         ——Santiago Ramón y Cajal (1906年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲得者)

近百年來,圍繞著腦科學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)頒發(fā)了近20項(xiàng)諾貝爾獎(jiǎng),但人類至今仍然難以準(zhǔn)確說出究竟大腦還有多少未解之謎等待著去征服。對(duì)大腦結(jié)構(gòu)和功能的探索,已經(jīng)成為當(dāng)下最具挑戰(zhàn)性也是最有意義的前沿科學(xué)難題。

說其最有意義,是因?yàn)榇竽X的解密已經(jīng)與我們每個(gè)人的生活息息相關(guān)。一方面,許多因?yàn)榇竽X而引起的如老年性癡呆、抑郁、自閉癥等疾病目前仍無較好的治療方案,甚至還不能對(duì)病理有清晰、準(zhǔn)確的掌握;另一方面,如人工智能、腦機(jī)接口等正在改善人類生活的科學(xué)研究,其發(fā)展路徑也高度依賴于對(duì)人腦秘密的探索程度。

正是基于以上原因,自進(jìn)入二十一世紀(jì)以來,世界發(fā)達(dá)國家如日本、美國和歐盟等紛紛開啟了“腦計(jì)劃”,投入大量資金、人力,以求能快速解開大腦的秘密。腦科學(xué)與腦認(rèn)知,已經(jīng)被多國視為人類最后的科學(xué)尖端,是科研領(lǐng)域 “皇冠上的明珠”。

如今, “中國腦計(jì)劃”的啟動(dòng),使中國成為繼美國、歐盟和日本之后,第四個(gè)推出腦科學(xué)研究計(jì)劃的國家。中國腦計(jì)劃提出“一體兩翼”的發(fā)展策略, “以腦認(rèn)知原理為主體,以類腦計(jì)算與腦機(jī)智能、腦重大疾病診治為兩翼,搭建關(guān)鍵技術(shù)平臺(tái),搶占腦科學(xué)前沿研究制高點(diǎn)”——這在《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》中被明確提到。

在這“一體兩翼”中,類腦計(jì)算正在成為近年來在國際與國內(nèi)都非�；馃岬囊粋�(gè)研究方向。通俗得說,類腦計(jì)算指的是:通過借鑒于人腦的基本原理,來改進(jìn)、升級(jí)甚至變革我們傳統(tǒng)的計(jì)算模式。對(duì)于中國“腦計(jì)劃”的發(fā)展與突破,類腦計(jì)算正在發(fā)揮著“尖兵”的作用。

那么,類腦計(jì)算將對(duì)哪些細(xì)分領(lǐng)域起到重要作用?如何實(shí)現(xiàn)類腦計(jì)算的落地與應(yīng)用?中國目前有哪些領(lǐng)先于世界的相關(guān)技術(shù)?

帶著這些問題,鎂客網(wǎng)專訪了中國智慧城市產(chǎn)業(yè)與技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟理事、北京科委&中關(guān)村管委會(huì)技術(shù)專家、北京靈汐科技有限公司CMO華寶洪,與其進(jìn)行了深入的交流。

“小試牛刀”的類腦計(jì)算,后摩爾時(shí)代的破題之道

鎂客網(wǎng)注意到,今年5月14日,國家科技體制改革和創(chuàng)新體系建設(shè)領(lǐng)導(dǎo)小組第十八次會(huì)議在京召開,本次會(huì)議不僅由國務(wù)院副總理劉鶴主持會(huì)議并講話,還專題討論了面向后摩爾時(shí)代的集成電路潛在顛覆性技術(shù)。這說明,對(duì)于即將到來的后摩爾時(shí)代所要面臨的新挑戰(zhàn),已經(jīng)成為了國家重點(diǎn)關(guān)心的方向。

那么,什么是面向后摩爾時(shí)代的集成電路潛在顛覆性技術(shù)?會(huì)議并沒有對(duì)外完全透露。但華寶洪告訴記者,和學(xué)界的不少觀點(diǎn)一樣,“類腦計(jì)算”應(yīng)該就是會(huì)議中所提到的潛在戰(zhàn)略性與顛覆性技術(shù)之一。

所謂摩爾定律,即“在價(jià)格不變的情況下,每18-24個(gè)月,集成電路可容納的晶體管數(shù)翻一倍,性能提升一倍”。而隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷突破,受制于芯片內(nèi)部信號(hào)的有效傳遞已經(jīng)接近物理尺度的極限,目前想要在5nm以下再提升工藝水平已經(jīng)是極為尖端的技術(shù)難題,而成本、市場與需求之間的平衡,也極大可能難以為繼。

這也就意味著,算力的發(fā)展將遇到較大的瓶頸,而與之相關(guān)度較高的如人工智能等產(chǎn)業(yè),即將迎來潛在的沖擊。

以人工智能舉例,在第三次發(fā)展浪潮后,傳統(tǒng)意義上的“三駕馬車”——算法、算力、大數(shù)據(jù),為人工智能這幾年如火如荼的發(fā)展插上了翅膀。但后摩爾時(shí)代的計(jì)算技術(shù)面臨的挑戰(zhàn),給人工智能未來的發(fā)展蒙上了一層陰影。

華寶洪表示,對(duì)于人工智能等高度依賴芯片能力的產(chǎn)業(yè)來說,傳統(tǒng)意義上的單純依靠堆大數(shù)據(jù)、高算力或?qū)⒊蔀檫^去式,要想有新的突破,就必須有新的思路。

“以自動(dòng)駕駛這一細(xì)分領(lǐng)域舉例,現(xiàn)在市面上各家都在提升算力、算法,不斷用大量的圖像數(shù)據(jù)來訓(xùn)練模型,但依然還是面臨著無法突破的瓶頸。人工智能發(fā)展的“三駕馬車”,現(xiàn)在已經(jīng)面臨發(fā)展瓶頸,要解決后摩爾時(shí)代的挑戰(zhàn),我認(rèn)為還是要看類腦計(jì)算”。

目前學(xué)界的不少觀點(diǎn)也認(rèn)為,傳統(tǒng)的“三駕馬車”+馮諾依曼架構(gòu)硬件所支撐的人工智能之路,正在越走越窄。清華大學(xué)類腦計(jì)算研究中心主任施路平教授曾表示,“基于碳基已經(jīng)發(fā)展出現(xiàn)有的人類通用智能,基于硅芯片已經(jīng)發(fā)展出強(qiáng)大的機(jī)器智能,借鑒腦科學(xué)的基本原理發(fā)展類腦計(jì)算,支撐人工通用智能發(fā)展,是完全有可能的。”

由此看來,類腦計(jì)算將有可能成為一把突破傳統(tǒng)AI計(jì)算瓶頸、打開通用人工智能大門的鑰匙,從而也就破解了后摩爾時(shí)代所帶來的新挑戰(zhàn)。不僅如此,華寶洪認(rèn)為,對(duì)后摩爾時(shí)代人工智能方向的支持,只能算是類腦計(jì)算的“小試牛刀”,其“用武之地”實(shí)際上更為寬廣。

腦仿真和腦科學(xué)研究,是類腦計(jì)算更大的“用武之地”

“目前大多數(shù)發(fā)達(dá)國家腦計(jì)劃的目的,并不僅單純?yōu)榱巳ソ鉀Q人工智能的問題,而且也在關(guān)注和探索:如何去解決人類腦健康(包括精神疾病、腦疾病等領(lǐng)域)所面臨的困難�！比A寶洪這樣告訴記者。

鎂客網(wǎng)注意到,屢屢在各國“腦計(jì)劃”中提到的類腦計(jì)算,首要是解決腦科學(xué)、腦認(rèn)知方面的問題;其次是解決類腦智能計(jì)算的問題;而后才涉及到人工智能、腦機(jī)接口等前沿技術(shù)的支撐助力�？梢哉f,類腦計(jì)算這把“牛刀”還是為了加速助力解開大腦的秘密。

華寶洪對(duì)記者表示,過往的對(duì)腦科學(xué)領(lǐng)域的研究,經(jīng)常會(huì)使用到一些小白鼠、猴子等動(dòng)物進(jìn)行實(shí)體實(shí)驗(yàn),單純的走醫(yī)學(xué)途徑去了解大腦中的神經(jīng)元、神經(jīng)脈沖等功能結(jié)構(gòu)和信息傳遞機(jī)制等。盡管結(jié)果直觀,但也存在著不少弊端:倫理層面上,世界范圍內(nèi)都在呼吁珍愛實(shí)驗(yàn)動(dòng)物;技術(shù)層面上,由于動(dòng)物個(gè)體的差異性等因素,存在著實(shí)驗(yàn)成本高、結(jié)果難復(fù)現(xiàn)等問題。

正是在這種情況下,類腦計(jì)算有了發(fā)揮空間。

“現(xiàn)在我們提供了另外一種手段,通過利用類腦計(jì)算芯片搭建大規(guī)模的腦仿真平臺(tái),可以支持促進(jìn)對(duì)生物腦動(dòng)力學(xué)模擬等領(lǐng)域的研究。借助由類腦計(jì)算芯片構(gòu)建的類腦服務(wù)器以及類腦計(jì)算集群,不遠(yuǎn)的未來我們將可以模擬十億、百億甚至千億級(jí)神經(jīng)元規(guī)模的生物腦網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)。”

而通過類腦計(jì)算所實(shí)現(xiàn)的大規(guī)模腦仿真,可以大大降低腦科學(xué)領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)的成本,提升大規(guī)模生物腦仿真的速度,同時(shí)其可復(fù)現(xiàn)性的特點(diǎn)也足以保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的客觀準(zhǔn)確性。

有了大規(guī)模腦仿真,未來一些讓人類“頭疼”的問題就有望更快地得到解決。例如帕金森、抑郁等腦疾病的病理的探究、相關(guān)藥物的治療效果試驗(yàn),都有可能通過腦仿真平臺(tái)去進(jìn)行測試。同時(shí)像腦機(jī)接口和前文提到的人工智能等前沿技術(shù),也可以被類腦計(jì)算“賦能”。

華寶洪認(rèn)為,“我們(類腦計(jì)算的研究)最終的目的是為了服務(wù)于人類的健康,這比類腦計(jì)算帶給工業(yè)界的社會(huì)意義可能更為直觀。而且,通過腦仿真和類腦計(jì)算,我覺得給大家的腦科學(xué)科研路徑和方法上打開了一個(gè)新的想象空間,這是最重要的一點(diǎn)�！�

雙腦驅(qū)動(dòng)、異構(gòu)融合——征服世界頂級(jí)學(xué)刊的中國類腦芯片

芯片,是類腦計(jì)算落地應(yīng)用的重要載體。目前,像IBM的TrueNorth、德國的BrainScales和英特爾的Loihi等,都是國際上較為知名的類腦芯片,并已經(jīng)應(yīng)用在大規(guī)模腦仿真等腦科學(xué)相關(guān)的項(xiàng)目中。那么,中國的類腦芯片,表現(xiàn)如何?

2019年8月1日,清華大學(xué)類腦計(jì)算中心主任施路平團(tuán)隊(duì)的科研成果——上一代類腦計(jì)算芯片 “天機(jī)芯”登上世界頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《Nature》的封面位置。據(jù)統(tǒng)計(jì),這不僅是《Nature》創(chuàng)刊130余年歷史中,僅有的十余篇華人一作的主刊封面論文之一,同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了中國在芯片和人工智能兩大領(lǐng)域中,在《Nature》期刊上論文零的突破�！爱悩�(gòu)融合類腦芯片”究竟強(qiáng)在哪?

記者發(fā)現(xiàn),深度學(xué)習(xí)加速器(支持人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))和類腦芯片(支持腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))是當(dāng)前人工智能芯片代表性的兩個(gè)主流方向,而目前的其他家芯片只能支持其中一類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。北京靈汐科技今年成功量產(chǎn)了新一代類腦計(jì)算芯片-領(lǐng)啟KA200,這款以“雙腦驅(qū)動(dòng)、異構(gòu)融合”思路作為指導(dǎo)研發(fā)出的商用類腦芯片,則打破了這一禁錮。

“何為雙腦驅(qū)動(dòng)?通俗的說,就是把計(jì)算機(jī)的剛性和人腦的彈性結(jié)合起來”。

華寶洪對(duì)記者表示,計(jì)算機(jī)適合處理的是確定的、靜態(tài)的、不變的場景,它的特點(diǎn)是快速準(zhǔn)確,表現(xiàn)特點(diǎn)為“剛性”。人腦擅長處理的是近似的、不穩(wěn)定和多變的場景,表現(xiàn)特性為“彈性”。

“KA200類腦芯片的設(shè)計(jì)思路,就是希望能夠把計(jì)算機(jī)這種快速、準(zhǔn)確的特點(diǎn),和人腦在抗噪音、稀疏處理和時(shí)空相關(guān)性等特點(diǎn)做融合,最終打造出具有雙腦驅(qū)動(dòng)、異構(gòu)融合的類腦芯片”。

“KA200”類腦芯片的優(yōu)勢(shì)是多方面的,突破了馮·諾依曼傳統(tǒng)架構(gòu),采用眾核并行,存算一體和分布式計(jì)算等核心技術(shù)。單芯片支持25萬神經(jīng)元和2500萬個(gè)突觸,其計(jì)算能效比高、擴(kuò)展性好,可以同時(shí)高效地支持傳統(tǒng)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),助力和支撐人工通用智能的發(fā)展。

八年磨一劍的靈汐,賽道上砥礪前行的狂奔者

任何科研成果從學(xué)界轉(zhuǎn)向業(yè)界,都是驚險(xiǎn)的一跳。這對(duì)于手握世界頂級(jí)類腦計(jì)算技術(shù)的靈汐科技團(tuán)隊(duì)來說,同樣如此。

畢竟,無論是國際還是國內(nèi),類腦芯片的研發(fā)都是一項(xiàng)長期而艱苦的工作,尤其當(dāng)靈汐科技甩開了傳統(tǒng)的思維與框架,力圖走出一條顛覆性的路線時(shí),就要迎接更多的挑戰(zhàn)和艱辛。

從2013年承建國家項(xiàng)目,2018年成立靈汐科技,到2019年科研成果登上Nature封面,再到2021年商用類腦芯片產(chǎn)品正式量產(chǎn)落地,整個(gè)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)走過8年的時(shí)光,其規(guī)模也逐漸增長到了200人以上。

華寶洪告訴記者,最近幾年團(tuán)隊(duì)規(guī)模進(jìn)入快速發(fā)展階段。但更重要的是——在最新研發(fā)的KA200芯片量產(chǎn)成功后,靈汐團(tuán)隊(duì)已經(jīng)完成首批客戶簽單,實(shí)現(xiàn)了營收。

“目前我們正在和國內(nèi)眾多的客戶和合作伙伴進(jìn)行對(duì)接測試和商業(yè)落地合作,涉及腦科學(xué),安防、車路協(xié)同、智慧工控、新基建等多個(gè)行業(yè)方向�！�

現(xiàn)在,靈汐科技推出類腦芯片,類腦計(jì)算板卡,類腦計(jì)算服務(wù)器等硬件,還配套提供面向傳統(tǒng)人工智能和腦科學(xué)研究的全套軟件工具棧。

華寶洪認(rèn)為,“靈汐科技給合作伙伴提供的是基礎(chǔ)的軟硬件能力,我們非常愿意跟各個(gè)合作伙伴一起去探討各個(gè)行業(yè)應(yīng)用的結(jié)合,讓異構(gòu)融合、雙腦驅(qū)動(dòng)的類腦芯片給客戶創(chuàng)造更大的價(jià)值。”

“在當(dāng)下,腦科學(xué)和類腦智能已經(jīng)成為國家“十四五規(guī)劃”中的重點(diǎn)新興領(lǐng)域,也是國家層面大力扶持的領(lǐng)域。靈汐科技希望能夠在后摩爾時(shí)代,既能有效拓展客戶在原有深度學(xué)習(xí)方面形成的能力,又能在目前逐漸升溫的腦科學(xué)、類腦智能計(jì)算等領(lǐng)域里,為大家開辟了一個(gè)新的發(fā)展空間”。

寶劍鋒自磨礪出。八年磨一劍的靈汐科技團(tuán)隊(duì),沒有盲從追隨主流的傳統(tǒng)框架,而是選擇了在異構(gòu)融合類腦芯片的這條“一個(gè)人的賽道”上狂奔。未來中國在腦科學(xué)、腦認(rèn)知領(lǐng)域的進(jìn)展與突破,會(huì)因靈汐科技而帶來多少驚喜?讓我們拭目以待。

作者:毛毛