讓一輛自行車實現(xiàn)無人駕駛，需要付出什么樣的努力？它的背后，是計算機(jī)科學(xué)和神經(jīng)科學(xué)的攻堅合作，是一枚結(jié)合了機(jī)器學(xué)習(xí)和模擬人腦的芯片“天機(jī)芯”。
近日，由清華大學(xué)牽頭的團(tuán)隊成功研制面向人工通用智能的新型類腦計算芯片——“天機(jī)芯”，而且成功在無人駕駛自行車上進(jìn)行了實驗。
控制這輛無人自行車的，是世界首款異構(gòu)融合類腦計算芯片。清華大學(xué)類腦計算研究中心施路平教授團(tuán)隊基于它發(fā)表的相關(guān)論文《面向人工通用智能的異構(gòu)“天機(jī)芯”芯片架構(gòu)》，8月1日在《自然》（Nature）雜志以封面文章的形式發(fā)表，實現(xiàn)了中國在芯片和人工智能兩大領(lǐng)域《自然》論文零的突破。
人工通用智能是什么？
AGI，即Artificial general intelligence，它在學(xué)界存在眾多的定義和形容詞，我們可以簡單理解為：“機(jī)器能在沒有編碼特定領(lǐng)域知識的情況下解決不同種類的問題，人類希望機(jī)器能做出類似人類的判斷和決策。”
發(fā)展人工通用智能的路徑主要有兩條：一是基于神經(jīng)科學(xué)模擬人腦；一是基于計算機(jī)科學(xué)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法。二者各有優(yōu)缺點。“天機(jī)芯”則是一款支持融合計算的芯片，它將計算機(jī)科學(xué)和神經(jīng)科學(xué)的兩種方法集成到一個平臺，實現(xiàn)了當(dāng)前人工智能芯片做不到的技術(shù)。
什么是類腦計算芯片?
“天機(jī)芯”是一款類腦計算芯片。類腦計算芯片是借鑒人腦的信息處理機(jī)制研發(fā)的新型計算芯片，“就像人類大腦中的神經(jīng)元，一個神經(jīng)元能連接上千個神經(jīng)元，能夠?qū)崟r傳遞脈沖信號，保持豐富的編碼機(jī)制。” 論文通訊作者、清華大學(xué)類腦計算研究中心主任、精儀系教授施路平解釋說。
“天機(jī)芯”挑戰(zhàn)了什么樣的尖端難題？
這個問題也能解釋團(tuán)隊為什么選擇自行車作為實驗工具，他們在接受DeepTech深科技采訪時用平實的語言解答了這些技術(shù)難題。
論文的共同第一作者鄧?yán)诮榻B說：“自行車的語音識別、環(huán)境感知、平衡控制、避障等功能都需要背后的模型算法提供支持才能實現(xiàn)，這其中就包括了不同模態(tài)的模型。例如語音識別、自主決策以及視覺追蹤可以通過模擬大腦來實現(xiàn)，而目標(biāo)探測、運動控制以及躲避障礙等，則可以通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法完成。傳統(tǒng)的人工智能芯片僅能支持單一類別的模型，如深度學(xué)習(xí)或計算神經(jīng)科學(xué)的模型，而’天機(jī)芯’則實現(xiàn)了多模態(tài)模型的交互。”
在“芯片大腦”的控制下，無人自行車可以實時感知周圍環(huán)境，跟隨前方的試驗人員并自動進(jìn)行避障，根據(jù)語音指令、視覺感知反饋產(chǎn)生實時信號，對電機(jī)進(jìn)行控制從而保持平衡或改變行進(jìn)狀態(tài)。
究竟什么是異構(gòu)融合?
施路平這樣解釋：“AGI主要有兩個大的研究方向，基于電腦的和腦科學(xué)的，從大的思路上來講，我們希望能把這兩個計算范式融合起來，實現(xiàn)互補(bǔ)。現(xiàn)在的計算機(jī)是將多維的信息轉(zhuǎn)換成一維的信息流，主頻越來越快，換句話說這是利用了時間復(fù)雜度；而在人腦中，一個神經(jīng)元可以連接1000到10000個神經(jīng)元，這是利用了空間復(fù)雜度，且大腦是利用脈沖進(jìn)行編碼，換句話說這就引入了時間復(fù)雜度，因此代表了時空復(fù)雜度。‘天機(jī)芯’同時具備了空間復(fù)雜度和時空復(fù)雜度，這就是異構(gòu)融合。“
計算機(jī)和人類各有所長，異構(gòu)融合則是打通兩者鴻溝的技術(shù)。異構(gòu)融合的“天機(jī)芯”類腦計算芯片，實現(xiàn)了計算機(jī)科學(xué)和神經(jīng)科學(xué)導(dǎo)向的絕大多數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型運行，這也正是論文發(fā)表當(dāng)期的《自然》封面標(biāo)題為“雙重控制”（Dual Control）的原因。
異構(gòu)融合的人工智能是一種多模態(tài)系統(tǒng)，而駕駛自行車正是一個多模態(tài)任務(wù)——它既需要語音識別，也需要視覺識別和追蹤，要求的是自行車電機(jī)或者傳感器進(jìn)行信息數(shù)據(jù)的收發(fā)，而系統(tǒng)對兩者信息處理的編碼模式是不一樣的，這就是所謂的多模態(tài)。這個復(fù)雜的多模態(tài)任務(wù)于是成為施路平團(tuán)隊驗證其異構(gòu)融合成果的理想展示平臺。
這一次，清華人是如何發(fā)光的？
“天機(jī)芯”是中國完全自主研發(fā)的技術(shù)成果，其中的異構(gòu)融合思路由項目研究團(tuán)隊首先提出。清華大學(xué)為論文第一單位。論文通訊作者施路平在2012年入職清華大學(xué)，組建清華大學(xué)類腦計算研究中心，從基礎(chǔ)理論、類腦計算系統(tǒng)芯片和軟件系統(tǒng)全方位進(jìn)行類腦計算研究，“天機(jī)芯”正是他帶領(lǐng)團(tuán)隊研發(fā)多年的最新成果。
論文的7位共同第一作者，每位都與清華有頗深的淵源——清華大學(xué)精密儀器系副研究員裴京，本科、碩士均畢業(yè)于清華大學(xué)，1990年起在精儀系任教至今。美國加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校博士后鄧?yán)冢?017年于清華大學(xué)類腦計算研究中心獲博士學(xué)位。鄧?yán)谠诓┦空撐闹性岢觯惸X計算的本質(zhì)應(yīng)該是通過借鑒大腦信息處理的方式，獲得解決人工通用智能問題的能力，深度學(xué)習(xí)和神經(jīng)形態(tài)都只是實現(xiàn)理想類腦計算的手段——值得一提的是，裴京正是他的導(dǎo)師。此外，論文共同第一作者還有清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院教授宋森，清華大學(xué)自動化系副研究員趙明國，清華大學(xué)計算機(jī)系教授張悠慧，清華大學(xué)類腦計算研究中心博士生吳雙、王冠睿。
“天機(jī)芯”的成功背后藏著怎樣的期待？
“天機(jī)芯”控制的自動駕駛自行車不只是一次成功實驗，更是一種具有啟迪意義的新平臺、新思路。團(tuán)隊通過這輛類腦自動行駛自行車，建立了一個異構(gòu)可擴(kuò)展人工通用智能開發(fā)演示平臺，也為學(xué)界提供了一個發(fā)展人工通用智能的平臺和思路。
“未來‘天機(jī)芯’的發(fā)展方向，是為人工通用智能的研究提供更高能效、高速、靈活的計算平臺，還可用于多種應(yīng)用開發(fā)，促進(jìn)人工通用智能研究，賦能各行各業(yè)。”施路平說。
“天機(jī)芯”擁有廣泛的未來應(yīng)用前景。裴京表示，作為異構(gòu)融合芯片，不管是深度學(xué)習(xí)加速器還是神經(jīng)形態(tài)芯片能夠做到的事情，“天機(jī)芯”都能完成，更重要的是它能夠完成一些加速器或芯片原本單獨無法完成的任務(wù)。
比如在運動視頻分析中，使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法模型會因為數(shù)據(jù)傳輸速度有限且數(shù)據(jù)量大而造成卡頓；神經(jīng)形態(tài)芯片雖然數(shù)據(jù)量小，但會降低精度。將兩種模態(tài)結(jié)合后，則能在代價和功能上實現(xiàn)良好平衡。
“天機(jī)芯”的低能耗、低成本，意味著它在家庭和服務(wù)性場景中具有廣泛的應(yīng)用前景。除了自行車，自動駕駛汽車、智能機(jī)器人等領(lǐng)域都值得期待。
面向未來，“天機(jī)芯”擁有無限可能。
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