讓一輛自行車(chē)實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛，需要付出什么樣的努力？它的背后，是計(jì)算機(jī)科學(xué)和神經(jīng)科學(xué)的攻堅(jiān)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(duì)成功研制面向人工通用智能的新型類(lèi)腦計(jì)算芯片——“天機(jī)芯”，而且成功在無(wú)人駕駛自行車(chē)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。
控制這輛無(wú)人自行車(chē)的，是世界首款異構(gòu)融合類(lèi)腦計(jì)算芯片。清華大學(xué)類(lèi)腦計(jì)算研究中心施路平教授團(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)了中國(guó)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(jiǎn)單理解為：“機(jī)器能在沒(méi)有編碼特定領(lǐng)域知識(shí)的情況下解決不同種類(lèi)的問(wèn)題，人類(lèi)希望機(jī)器能做出類(lèi)似人類(lèi)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(jì)算機(jī)科學(xué)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法。二者各有優(yōu)缺點(diǎn)。“天機(jī)芯”則是一款支持融合計(jì)算的芯片，它將計(jì)算機(jī)科學(xué)和神經(jīng)科學(xué)的兩種方法集成到一個(gè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了當(dāng)前人工智能芯片做不到的技術(shù)。
什么是類(lèi)腦計(jì)算芯片?
“天機(jī)芯”是一款類(lèi)腦計(jì)算芯片。類(lèi)腦計(jì)算芯片是借鑒人腦的信息處理機(jī)制研發(fā)的新型計(jì)算芯片，“就像人類(lèi)大腦中的神經(jīng)元，一個(gè)神經(jīng)元能連接上千個(gè)神經(jīng)元，能夠?qū)崟r(shí)傳遞脈沖信號(hào)，保持豐富的編碼機(jī)制。” 論文通訊作者、清華大學(xué)類(lèi)腦計(jì)算研究中心主任、精儀系教授施路平解釋說(shuō)。
“天機(jī)芯”挑戰(zhàn)了什么樣的尖端難題？
這個(gè)問(wèn)題也能解釋團(tuán)隊(duì)為什么選擇自行車(chē)作為實(shí)驗(yàn)工具，他們?cè)诮邮蹹eepTech深科技采訪(fǎng)時(shí)用平實(shí)的語(yǔ)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(shuō)：“自行車(chē)的語(yǔ)音識(shí)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(shí)現(xiàn)，這其中就包括了不同模態(tài)的模型。例如語(yǔ)音識(shí)別、自主決策以及視覺(jué)追蹤可以通過(guò)模擬大腦來(lái)實(shí)現(xiàn)，而目標(biāo)探測(cè)、運(yùn)動(dòng)控制以及躲避障礙等，則可以通過(guò)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(lèi)別的模型，如深度學(xué)習(xí)或計(jì)算神經(jīng)科學(xué)的模型，而’天機(jī)芯’則實(shí)現(xiàn)了多模態(tài)模型的交互。”
在“芯片大腦”的控制下，無(wú)人自行車(chē)可以實(shí)時(shí)感知周?chē)h(huán)境，跟隨前方的試驗(yàn)人員并自動(dòng)進(jìn)行避障，根據(jù)語(yǔ)音指令、視覺(jué)感知反饋產(chǎn)生實(shí)時(shí)信號(hào)，對(duì)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?zhuān)?ldquo;AGI主要有兩個(gè)大的研究方向，基于電腦的和腦科學(xué)的，從大的思路上來(lái)講，我們希望能把這兩個(gè)計(jì)算范式融合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)。現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)是將多維的信息轉(zhuǎn)換成一維的信息流，主頻越來(lái)越快，換句話(huà)說(shuō)這是利用了時(shí)間復(fù)雜度；而在人腦中，一個(gè)神經(jīng)元可以連接1000到10000個(gè)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(huà)說(shuō)這就引入了時(shí)間復(fù)雜度，因此代表了時(shí)空復(fù)雜度?！鞕C(jī)芯’同時(shí)具備了空間復(fù)雜度和時(shí)空復(fù)雜度，這就是異構(gòu)融合。“
計(jì)算機(jī)和人類(lèi)各有所長(zhǎng)，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(lèi)腦計(jì)算芯片，實(shí)現(xiàn)了計(jì)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(yùn)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(chē)正是一個(gè)多模態(tài)任務(wù)——它既需要語(yǔ)音識(shí)別，也需要視覺(jué)識(shí)別和追蹤，要求的是自行車(chē)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(duì)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(gè)復(fù)雜的多模態(tài)任務(wù)于是成為施路平團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證其異構(gòu)融合成果的理想展示平臺(tái)。
這一次，清華人是如何發(fā)光的？
“天機(jī)芯”是中國(guó)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(xiàng)目研究團(tuán)隊(duì)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(lèi)腦計(jì)算研究中心，從基礎(chǔ)理論、類(lèi)腦計(jì)算系統(tǒng)芯片和軟件系統(tǒng)全方位進(jìn)行類(lèi)腦計(jì)算研究，“天機(jī)芯”正是他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)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(guó)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(lèi)腦計(jì)算研究中心獲博士學(xué)位。鄧?yán)谠诓┦空撐闹性岢?，?lèi)腦計(jì)算的本質(zhì)應(yīng)該是通過(guò)借鑒大腦信息處理的方式，獲得解決人工通用智能問(wèn)題的能力，深度學(xué)習(xí)和神經(jīng)形態(tài)都只是實(shí)現(xiàn)理想類(lèi)腦計(jì)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(dòng)化系副研究員趙明國(guó)，清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系教授張悠慧，清華大學(xué)類(lèi)腦計(jì)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(dòng)駕駛自行車(chē)不只是一次成功實(shí)驗(yàn)，更是一種具有啟迪意義的新平臺(tái)、新思路。團(tuán)隊(duì)通過(guò)這輛類(lèi)腦自動(dòng)行駛自行車(chē)，建立了一個(gè)異構(gòu)可擴(kuò)展人工通用智能開(kāi)發(fā)演示平臺(tái)，也為學(xué)界提供了一個(gè)發(fā)展人工通用智能的平臺(tái)和思路。
“未來(lái)‘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(jì)算平臺(tái)，還可用于多種應(yīng)用開(kāi)發(fā)，促進(jìn)人工通用智能研究，賦能各行各業(yè)。”施路平說(shuō)。
“天機(jī)芯”擁有廣泛的未來(lái)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(dú)無(wú)法完成的任務(wù)。
比如在運(yùn)動(dòng)視頻分析中，使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法模型會(huì)因?yàn)閿?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(huì)降低精度。將兩種模態(tài)結(jié)合后，則能在代價(jià)和功能上實(shí)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(chǎng)景中具有廣泛的應(yīng)用前景。除了自行車(chē)，自動(dòng)駕駛汽車(chē)、智能機(jī)器人等領(lǐng)域都值得期待。
面向未來(lái)，“天機(jī)芯”擁有無(wú)限可能。
延伸閱讀（內(nèi)有視頻）：
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