想象有一天,，機(jī)器可以像人一樣思考和處理問題,，這對(duì)于21世紀(jì)的我們?cè)缫巡皇且粋€(gè)陌生的話題,。通用人工智能的夢(mèng)想鞭策著人類不斷探索腦科學(xué)的奧秘與用機(jī)器模擬生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和信息加工的潛力,，而后者就是我們所說的類腦計(jì)算,，也叫神經(jīng)形態(tài)計(jì)算。
目前的類腦計(jì)算研究尚處于起步階段,，國際上還沒有形成公認(rèn)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與方案,。10月14日，清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系張悠慧團(tuán)隊(duì)和精儀系施路平團(tuán)隊(duì)與合作者在世界頂級(jí)期刊《自然》發(fā)表題為“一種類腦計(jì)算系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)”的論文,，填補(bǔ)了類腦計(jì)算系統(tǒng)領(lǐng)域完備性理論與相應(yīng)的類腦計(jì)算系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)方面的空白,。這是一年多來，清華大學(xué)在類腦計(jì)算領(lǐng)域繼“天機(jī)芯”和“多陣列憶阻器存算一體系統(tǒng)”之后于《自然》正刊發(fā)表的第三篇成果,，也是計(jì)算機(jī)系以第一完成單位/通訊單位在《自然》發(fā)表的首篇論文,。
從傳統(tǒng)到創(chuàng)新,，用系統(tǒng)的眼光重新審視類腦計(jì)算
如果說，“圖靈完備性”是通用計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的“圭臬”,，那么“類腦計(jì)算完備性”則能夠?yàn)轭惸X計(jì)算系統(tǒng)領(lǐng)域的發(fā)展提供一個(gè)“準(zhǔn)繩”。
通用計(jì)算領(lǐng)域有兩個(gè)著名概念,，一個(gè)是“圖靈完備性”,，另一個(gè)是“馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)”。對(duì)于前者,，原則上一個(gè)圖靈完備的系統(tǒng)能夠用來解決任何計(jì)算性的問題,，符合圖靈完備的編程語言編寫的任何程序都可以轉(zhuǎn)換為任意圖靈完備的處理器上的等價(jià)指令序列，因此在設(shè)計(jì)通用計(jì)算軟硬件時(shí)需符合圖靈完備的要求,；后者則是通用計(jì)算機(jī)運(yùn)作的體系結(jié)構(gòu),，具有存儲(chǔ)部件與計(jì)算部件分離、程序與數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲(chǔ)等特性,。圖靈完備性和馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)使得通用計(jì)算領(lǐng)域在軟件層,、編譯層和硬件層都有了統(tǒng)一的范式，使不同層次各自發(fā)展而又可以無縫兼容,。
然而,，現(xiàn)有類腦計(jì)算系統(tǒng)研究大多聚焦于具體的芯片、工具鏈,、應(yīng)用和算法的創(chuàng)新實(shí)現(xiàn),，而忽略了從宏觀和抽象層面上對(duì)計(jì)算完備性和體系結(jié)構(gòu)的思考。類腦計(jì)算軟硬件間的高度耦合阻礙了它們獨(dú)立發(fā)展的同時(shí)互相兼容的可能性,。如何突破這一瓶頸,，擴(kuò)展類腦計(jì)算系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景，成了團(tuán)隊(duì)下決心要解決的重點(diǎn)問題,。
“通用計(jì)算領(lǐng)域的圖靈完備性和馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)都是非?；A(chǔ)、大家也非常熟悉的概念,，以至于很多人都不會(huì)意識(shí)到,，對(duì)于新興的類腦計(jì)算系統(tǒng)領(lǐng)域，這是一個(gè)需要首先解決的問題,?！?計(jì)算機(jī)系研究員張悠慧說。
從傳統(tǒng)通用計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)哲學(xué)和方法論中汲取靈感和經(jīng)驗(yàn),，團(tuán)隊(duì)針對(duì)類腦計(jì)算不像針對(duì)通用計(jì)算一樣注重每一步計(jì)算過程的精確,，他們更注重結(jié)果擬合的特性，提出了對(duì)計(jì)算過程和精度約束更低的類腦計(jì)算完備性概念,，并且設(shè)計(jì)了相應(yīng)的類腦計(jì)算機(jī)層次結(jié)構(gòu)：圖靈完備的軟件模型,，類腦計(jì)算完備的硬件體系結(jié)構(gòu),，以及位于兩者之間的編譯層。通過構(gòu)造性轉(zhuǎn)化算法,，任意圖靈可計(jì)算函數(shù)都可以轉(zhuǎn)換為類腦計(jì)算完備硬件上的模型,。這意味著類腦計(jì)算系統(tǒng)也可以支持通用計(jì)算，極大地?cái)U(kuò)展了類腦計(jì)算系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域,，也使類腦計(jì)算軟硬件各自獨(dú)立發(fā)展成為可能,。
明確分工接口，既能學(xué)科交叉又能“各司其職”
明確類腦計(jì)算機(jī)層次結(jié)構(gòu),，除了希望實(shí)現(xiàn)不同層次之間的去耦合,，也是希望能為各相關(guān)學(xué)科的研究人員“減負(fù)”，不讓專業(yè)間的知識(shí)鴻溝阻礙交叉學(xué)科的順暢發(fā)展,。
類腦計(jì)算屬于交叉研究領(lǐng)域,，涉及腦科學(xué)、電子,、微電子,、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化,、材料以及精密儀器等多個(gè)學(xué)科,。學(xué)科交叉意味著研究中需要集各科之所長，但是專業(yè)壁壘卻增加了學(xué)科之間互相理解,、協(xié)同配合的難度,。如何讓一個(gè)生物學(xué)家不必深入鉆研計(jì)算機(jī)理論卻依然能理解進(jìn)而將自己的專業(yè)前沿成果結(jié)合到類腦計(jì)算當(dāng)中。這是交叉研究項(xiàng)目面臨的現(xiàn)實(shí)問題,。
《自然》期刊審稿人說,，清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)研究“使得相關(guān)研究領(lǐng)域間的任務(wù)分工與接口更為清晰，有利于不同學(xué)科的研究人員專注于其專業(yè)領(lǐng)域,、促進(jìn)協(xié)同發(fā)展”,。
不讓研究人員分心，專于所長,，推動(dòng)各個(gè)具體學(xué)科領(lǐng)域的技術(shù)突破，才能為類腦計(jì)算提供更加堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)和支持,。
值得一提的是,，從春節(jié)前夕投稿，到8月上旬正式被接收,，論文的兩輪修改都是在疫情期間完成,。整個(gè)審稿過程無法在線下交流討論和開展實(shí)驗(yàn)，這對(duì)于團(tuán)隊(duì)而言無疑帶來了巨大的挑戰(zhàn),?！暗珡牧硪粋€(gè)角度看,，因?yàn)橐咔槠陂g哪兒也去不了，我們能更加潛心和專一地去做好這一件事,?！睆堄苹壅f。
研究小組努力克服交流不便,、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理困難等問題,，對(duì)文章的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)做了較大補(bǔ)充與改進(jìn)?！耙婚_始審稿人認(rèn)同我們研究問題的意義，但是并不理解我們對(duì)于研究問題的解決思路,，對(duì)于是否有必要進(jìn)行底層的計(jì)算理論設(shè)計(jì),，審稿人提出了質(zhì)疑?！庇?jì)算機(jī)系博士后渠鵬說,，“但是通過對(duì)整體行文邏輯、文章內(nèi)容和原型實(shí)驗(yàn)的反復(fù)斟酌修改,，以及對(duì)研究思路和質(zhì)疑點(diǎn)的一一反饋,，審稿人最后認(rèn)同了我們的設(shè)計(jì)理念?！?/p>
今年剛畢業(yè)的博士生季宇是完成計(jì)算完備性相關(guān)工作的主要成員之一,。因?yàn)樵诳蒲蟹矫娴膬?yōu)異表現(xiàn),，他的博士論文也被評(píng)為清華大學(xué)優(yōu)秀博士論文,。精儀系的張偉豪是文章的共同第一作者，師從施路平教授,。他提出了能夠充分利用類腦計(jì)算完備性的硬件抽象體系結(jié)構(gòu)與映射方法,。大家各取所長,，共同搭建起了類腦計(jì)算系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)。
70多頁的反饋文件,，一次又一次的討論,、修改、迭代,，見證了團(tuán)隊(duì)一步一步迎難而上的努力?！爱?dāng)審稿人說我們的研究明確了不同領(lǐng)域的分工和接口,，將對(duì)類腦計(jì)算的交叉研究產(chǎn)生積極作用時(shí),，我真的很受鼓舞，感覺到自己研究的東西是十分有意義的,，也是被類腦計(jì)算社區(qū)所認(rèn)可的,。”渠鵬說,。
厚積薄發(fā),，一步一個(gè)腳印地走向通用人工智能的未來
2014年，清華大學(xué)類腦研究中心由7個(gè)院系聯(lián)合成立,，為類腦研究這一交叉學(xué)科領(lǐng)域提供了一個(gè)良好的交流平臺(tái),，中心主任即為本次研究團(tuán)隊(duì)中的精儀系施路平教授。也正是因?yàn)楦鲉挝缓蛯W(xué)校研究中心的支持,、研究過程匯集了來自各方的智慧力量,，這個(gè)小團(tuán)隊(duì)最終做成了類腦計(jì)算系統(tǒng)理論與原型構(gòu)建的大項(xiàng)目。
盡管從項(xiàng)目正式啟動(dòng)到最終發(fā)表不過經(jīng)歷了一年多的時(shí)間,，但這項(xiàng)成果的產(chǎn)生并不是一蹴而就的,。
在類腦計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)和編譯技術(shù)上，團(tuán)隊(duì)就已經(jīng)在過去幾年的不懈研究中打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),。此前清華大學(xué)在類腦領(lǐng)域所取得的新進(jìn)展,，也為這次類腦計(jì)算完備性和類腦計(jì)算系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)的提出提供了技術(shù)和方法上的支持。從前期分支問題的各個(gè)擊破,，一步一個(gè)腳印,，一點(diǎn)一滴積累,，到最終提出系統(tǒng)的理論框架，一切都是水到渠成,。
未來,，在理論層面,，團(tuán)隊(duì)將更關(guān)注類腦應(yīng)用的“神經(jīng)形態(tài)特性”,，并希望最終建立起一個(gè)與圖靈完備相對(duì)應(yīng)的全新類腦計(jì)算理想范式；在系統(tǒng)層面,，團(tuán)隊(duì)將依托計(jì)算機(jī)系高性能所在超算與芯片方面的雄厚實(shí)力,，研發(fā)受腦啟發(fā)的支持通用計(jì)算的新型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與芯片,。盡管目標(biāo)遠(yuǎn)大，道阻且長,，但他們相信,，只要日積跬步,，終將到達(dá)千里之外。至于是否能實(shí)現(xiàn)最初的夢(mèng)想,，時(shí)間會(huì)給所有的努力一個(gè)答案。
