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,，是計算機科學和神經科學的攻堅合作,，是一枚結合了機器學習和模擬人腦的芯片“天機芯”,。
近日,，由清華大學牽頭的團隊成功研制面向人工通用智能的新型類腦計算芯片——“天機芯”,，而且成功在無人駕駛自行車上進行了實驗,。
控制這輛無人自行車的,，是世界首款異構融合類腦計算芯片,。清華大學類腦計算研究中心施路平教授團隊基于它發(fā)表的相關論文《面向人工通用智能的異構“天機芯”芯片架構》，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,，它在學界存在眾多的定義和形容詞，我們可以簡單理解為：“機器能在沒有編碼特定領域知識的情況下解決不同種類的問題,，人類希望機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：一是基于神經科學模擬人腦；一是基于計算機科學的機器學習算法,。二者各有優(yōu)缺點,。“天機芯”則是一款支持融合計算的芯片，它將計算機科學和神經科學的兩種方法集成到一個平臺,，實現(xiàn)了當前人工智能芯片做不到的技術,。
什么是類腦計算芯片?
“天機芯”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制研發(fā)的新型計算芯片,，“就像人類大腦中的神經元,，一個神經元能連接上千個神經元，能夠實時傳遞脈沖信號,，保持豐富的編碼機制,。” 論文通訊作者、清華大學類腦計算研究中心主任,、精儀系教授施路平解釋說,。
“天機芯”挑戰(zhàn)了什么樣的尖端難題？
這個問題也能解釋團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難題,。
論文的共同第一作者鄧磊介紹說：“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),，而目標探測、運動控制以及躲避障礙等,，則可以通過機器學習算法完成,。傳統(tǒng)的人工智能芯片僅能支持單一類別的模型，如深度學習或計算神經科學的模型,，而’天機芯’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行避障,，根據(jù)語音指令、視覺感知反饋產生實時信號,，對電機進行控制從而保持平衡或改變行進狀態(tài),。
究竟什么是異構融合?
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?，F(xiàn)在的計算機是將多維的信息轉換成一維的信息流,，主頻越來越快，換句話說這是利用了時間復雜度,；而在人腦中,，一個神經元可以連接1000到10000個神經元，這是利用了空間復雜度,，且大腦是利用脈沖進行編碼,，換句話說這就引入了時間復雜度，因此代表了時空復雜度,?！鞕C芯’同時具備了空間復雜度和時空復雜度，這就是異構融合,。“
計算機和人類各有所長,，異構融合則是打通兩者鴻溝的技術。異構融合的“天機芯”類腦計算芯片,，實現(xiàn)了計算機科學和神經科學導向的絕大多數(shù)神經網絡模型運行,，這也正是論文發(fā)表當期的《自然》封面標題為“雙重控制”（Dual Control）的原因。
異構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——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或者傳感器進行信息數(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)。這個復雜的多模態(tài)任務于是成為施路平團隊驗證其異構融合成果的理想展示平臺,。
這一次,，清華人是如何發(fā)光的？
“天機芯”是中國完全自主研發(fā)的技術成果,，其中的異構融合思路由項目研究團隊首先提出,。清華大學為論文第一單位。論文通訊作者施路平在2012年入職清華大學,，組建清華大學類腦計算研究中心,，從基礎理論、類腦計算系統(tǒng)芯片和軟件系統(tǒng)全方位進行類腦計算研究,，“天機芯”正是他帶領團隊研發(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——清華大學精密儀器系副研究員裴京,，本科,、碩士均畢業(yè)于清華大學，1990年起在精儀系任教至今,。美國加州大學圣塔芭芭拉分校博士后鄧磊,，2017年于清華大學類腦計算研究中心獲博士學位。鄧磊在博士論文中曾提出,，類腦計算的本質應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，深度學習和神經形態(tài)都只是實現(xiàn)理想類腦計算的手段——值得一提的是,，裴京正是他的導師,。此外，論文共同第一作者還有清華大學醫(yī)學院教授宋森,，清華大學自動化系副研究員趙明國,，清華大學計算機系教授張悠慧，清華大學類腦計算研究中心博士生吳雙,、王冠睿,。
“天機芯”的成功背后藏著怎樣的期待？
“天機芯”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。團隊通過這輛類腦自動行駛自行車,，建立了一個異構可擴展人工通用智能開發(fā)演示平臺,，也為學界提供了一個發(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，還可用于多種應用開發(fā),，促進人工通用智能研究,，賦能各行各業(yè)。”施路平說,。
“天機芯”擁有廣泛的未來應用前景,。裴京表示，作為異構融合芯片,，不管是深度學習加速器還是神經形態(tài)芯片能夠做到的事情,，“天機芯”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,。
比如在運動視頻分析中,，使用機器學習算法模型會因為數(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)結合后，則能在代價和功能上實現(xiàn)良好平衡,。
“天機芯”的低能耗,、低成本，意味著它在家庭和服務性場景中具有廣泛的應用前景,。除了自行車,，自動駕駛汽車、智能機器人等領域都值得期待,。
面向未來,，“天機芯”擁有無限可能。
延伸閱讀（內有視頻）：
“天機芯”登《自然》封面,，清華大學類腦計算中心施路平教授團隊發(fā)布全球首款異構融合類腦芯片
