新型人工智能芯片 天機(jī)芯

近日刊出的《自然》封面文章，展示了清華大學(xué)類腦計算研究中心施路平團(tuán)隊(duì)研發(fā)的新型人工智能芯片“天機(jī)芯（Tianjic）”。這是世界首款異構(gòu)融合類腦芯片，實(shí)現(xiàn)了中國在芯片和人工智能兩大領(lǐng)域《自然》論文的零突破。

中國造的“天機(jī)芯”作為世界首款異構(gòu)融合類腦芯片，究竟有何突破？

芯片是人工智能系統(tǒng)的“大腦”?，F(xiàn)有人工智能技術(shù)（AI）存在兩種主流“大腦”：一種是支持人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)加速器，基于研究“電腦”的計算機(jī)科學(xué)，讓計算機(jī)運(yùn)行機(jī)器學(xué)習(xí)算法；另一種是支持脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)形態(tài)芯片，基于研究“人腦”的神經(jīng)科學(xué)，無限模擬人類大腦。

雖然同為人工智能，它們卻“雞同鴨講”不能交流，這是因?yàn)閮煞NAI“大腦”的平臺各不相同且互不兼容。而“天機(jī)芯”卻能把這兩種原本互不兼容的人工智能芯片融為一體，成為世界首款異構(gòu)融合類腦芯片。這種融合技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)人工通用智能（AGI）。原則上，人工通用智能平臺可以執(zhí)行人類能夠完成的所有任務(wù)。

“我們7年前開始組隊(duì)做這項(xiàng)研究，現(xiàn)在取得了初步成果。用類腦計算支撐人工通用智能的發(fā)展，然后賦能各行各業(yè)，這是我們整個研究的愿景?！毖芯繄F(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、清華大學(xué)精密儀器系教授施路平說。

有了天機(jī)芯，自行車“成精”了

用于展示“天機(jī)芯”性能的平臺，是在清華大學(xué)操場上“撒歡”的一輛自行車。這是一輛無人駕駛的自行車。試驗(yàn)中，無人駕駛自行車不僅可以識別語音指令、實(shí)現(xiàn)自平衡控制，還可以自行越過路面的小凸起，不會因失去平衡而摔倒，還能探測和跟蹤前方行人，并自動避障。這體現(xiàn)了它的動態(tài)感知、目標(biāo)探測、過障、自主決策等能力。

自行車“成精”了？不，這只是因?yàn)樗渖狭恕疤鞕C(jī)芯”大腦。“天機(jī)芯”之外，這款自行車還配備了慣性測量單元傳感器、攝像頭、麥克風(fēng)，剎車電機(jī)、轉(zhuǎn)向電機(jī)等制動器，以及控制平臺、計算平臺等處理平臺。

“這些功能中，語音識別、視覺追蹤是受腦啟發(fā)的模型；目標(biāo)探測和運(yùn)動控制是機(jī)器學(xué)習(xí)算法；而自主決策則是一個兩者混合的模型?！毖芯繄F(tuán)隊(duì)成員鄧?yán)谡f，“我們要做一個小型的類腦計算平臺，自行車就是我們的最終考量結(jié)果”。

要覆蓋感知、決策、執(zhí)行的完整任務(wù)；要有能與現(xiàn)實(shí)環(huán)境交互的真實(shí)演示系統(tǒng)；演示系統(tǒng)必須安全可控，可以反復(fù)實(shí)驗(yàn)；系統(tǒng)對處理芯片有功耗和實(shí)時性要求，能體現(xiàn)芯片優(yōu)勢——一塊“天機(jī)芯”可以同時運(yùn)行5種不同神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：用于圖像處理和物體檢測的CNN，用于語音命令識別的SNN，用于人類目標(biāo)跟蹤的CANN，用于姿態(tài)平衡和方向控制的MLP，用于決策控制的混合網(wǎng)絡(luò)。芯片采取眾核架構(gòu)和任意路由拓?fù)?，自由集成各種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和混合編碼方案，在多個模型之間無縫通信，最終就讓人們看到了這輛可以順利完成各種任務(wù)的“成了精”的自行車。據(jù)悉，這是世界上第一輛既有“電腦”思維又有“人腦”思維、有近乎“獨(dú)立思考”能力的自行車。

如何窺探“天機(jī)”

以運(yùn)動的視頻分析能力為例。完全采用深度學(xué)習(xí)技術(shù)，需基于每一幀去處理，耗能大、代價高、數(shù)據(jù)量大，且受傳感器帶寬限制會出現(xiàn)卡頓。而完全用神經(jīng)形態(tài)技術(shù)處理，數(shù)據(jù)量降下來了，耗能小，但處理正確率又低了，容易出錯?！拔覀兊男酒褍煞N模式結(jié)合一起處理，就可以很好地達(dá)到代價和功能的平衡?！编?yán)谡f。

兩種模式的功耗相差多少？人腦功耗約20瓦，而據(jù)IBM測算，實(shí)時模擬人腦需要300多臺天河2號同時工作。天河2號一年僅電費(fèi)就要1億元人民幣，全速運(yùn)算的話，電費(fèi)更高達(dá)1.5億元。

“從未來看，人工通用智能是一個必然趨勢。而且，人工通用智能可以賦能各行各業(yè)。”施路平介紹，現(xiàn)有人工智能是專有人工智能，一個問題對應(yīng)一個解決辦法，只要滿足條件，現(xiàn)有系統(tǒng)都可以做得很好。但現(xiàn)有人工智能難以處理模糊問題，也不能跨界處理問題。比如阿爾法狗下圍棋能贏世界冠軍，卻做不出閱讀理解題。

與之相對的，是能處理視覺、聽覺、學(xué)習(xí)、推理等多種任務(wù)，具備舉一反三、融會貫通能力的“人工通用智能”。發(fā)展人工通用智能，是人工智能學(xué)界一直在努力的方向，國內(nèi)外很多機(jī)構(gòu)都在做。

“我們認(rèn)為未來是個融合架構(gòu)，不會拋棄現(xiàn)有計算機(jī)系統(tǒng)，而是做改進(jìn)?！笔┞菲秸f，現(xiàn)有兩種發(fā)展人工智能的方法，分別基于電腦思維和人腦思維，各有優(yōu)缺點(diǎn)。但團(tuán)隊(duì)研究對比后發(fā)現(xiàn)，兩者都代表了人腦處理信息的部分模式?！八晕覀儺a(chǎn)生了想法——把兩者有機(jī)融合起來。這是我們研究工作的主體思想?！?/p>

那么，融合面臨哪些挑戰(zhàn)？“最大的挑戰(zhàn)不是來自科學(xué)技術(shù)，而在于我們的學(xué)科分布過細(xì)，不利于解決這樣的復(fù)雜問題。所以，多學(xué)科深度融合是解決問題的關(guān)鍵，可以把電腦思維和人腦思維的優(yōu)勢結(jié)合起來，幫助我們發(fā)展人工智能?！笔┞菲浇榻B，清華大學(xué)類腦計算研究中心由校內(nèi)7家院系聯(lián)合組建，融合了腦科學(xué)、電子、微電子、計算機(jī)、自動化、材料以及精密儀器等學(xué)科，成立之初，就瞄準(zhǔn)了基于天機(jī)系列芯片的類腦系統(tǒng)的研發(fā)。

團(tuán)隊(duì)成員、清華大學(xué)精密儀器系副研究員裴京說：“像我們這樣能組織起7個院系、各行業(yè)專家一起研究的團(tuán)隊(duì)，全世界還不多。到清華來交流過的國際團(tuán)隊(duì)都認(rèn)為我們是研究類腦計算的最成功模式。”

然而，面對人工智能研究的紛繁復(fù)雜，研究道路并非一帆風(fēng)順。施路平講述了他多年前爬山迷路的故事。剛研究類腦計算時，他曾因缺乏相關(guān)文獻(xiàn)而苦惱。一次爬山，他離開大道隨意亂走，迷路后通過太陽確定方向，沿著一個方向走出大山。

“可見，在一條從來沒有人走過的路上，如何尋找方向是非常重要的。”施路平說，腦科學(xué)是一個金礦，自然界的通用智能系統(tǒng)只有人腦，以“類腦”覓“天機(jī)”，從腦科學(xué)的最新研究成果中找方向標(biāo)，就成為一個必然選擇。

而施路平團(tuán)隊(duì)的類腦研究，與簡單模擬大腦結(jié)構(gòu)的仿腦還不一樣。類腦跟仿腦出發(fā)點(diǎn)不一樣。仿腦是盡可能仿制跟腦一樣的結(jié)構(gòu)，在此結(jié)構(gòu)上發(fā)揮新的計算功能。而類腦研究是要解決人工智能的時空復(fù)雜度、能效等問題，如果從人腦研究中發(fā)現(xiàn)了可以解決這些問題的優(yōu)點(diǎn)，不管是結(jié)構(gòu)上的優(yōu)點(diǎn)，還是信息運(yùn)行模式上的優(yōu)點(diǎn)，施路平團(tuán)隊(duì)都會借鑒參考，看看能不能放到“天機(jī)芯”的系統(tǒng)架構(gòu)中去。

“類腦是借鑒，不是簡單模仿，是神似，而不是形似。在借鑒過程中，我們對腦、智能都有了越來越深的理解?！笔┞菲秸f。

未來的“天機(jī)芯”世界

“目前為止，天機(jī)芯片是我們研究出來的最完美結(jié)果。但這并不意味著通用智能系統(tǒng)已經(jīng)完成，這只是一個初步成果?！笔┞菲秸f，團(tuán)隊(duì)將在研發(fā)中對產(chǎn)品逐漸迭代，直至逼近人工通用智能，不會一蹴而就。

現(xiàn)在，“天機(jī)芯”已研發(fā)到第三代。2015年問世的第一代“天機(jī)芯”110納米，只是個小樣（DEMO）；2017年制成的第二代“天機(jī)芯”28納米，由156個功能核心FCore組成，包含約4萬個神經(jīng)元和1千萬個突觸。這也是登上本次《自然》封面文章的芯片。與當(dāng)前世界先進(jìn)的IBMTrueNorth芯片相比，二代“天機(jī)芯”功能更全、靈活性和擴(kuò)展性更好，密度提升20%，速度提高至少10倍，帶寬提高至少100倍。

“下一代芯片將是14納米或者更小?！迸峋┙榻B，第三代芯片功能比第二代強(qiáng)大很多，有望在明年初完成研發(fā)。

目前，商業(yè)化應(yīng)用也已提上日程。該論文署名作者中，有兩位就職于北京靈汐科技有限公司。這是從清華大學(xué)類腦計算研究中心孵化出的高科技企業(yè)，第三代天機(jī)芯片正在由雙方聯(lián)合研發(fā)。該公司還發(fā)展了基于“天機(jī)芯”系統(tǒng)的工具鏈，芯片上市后，應(yīng)用開發(fā)的工程師們可以使用這些工具開發(fā)出所需應(yīng)用。

“應(yīng)用方面，我們主要考慮解決通用問題，給大家提供平臺?！迸峋┱f。

從無人自行車的實(shí)驗(yàn)看，“天機(jī)芯”上市后，完全可以應(yīng)用于自動駕駛汽車和智能機(jī)器人中。而從長遠(yuǎn)來看，以“人工通用智能”為目標(biāo)的“天機(jī)芯”，如果真能實(shí)現(xiàn)自己的理想，它將“無所不能”，可用于各行各業(yè)。因?yàn)椤巴ㄓ萌斯ぶ悄堋?，就是你和你的大腦能做的任何事情，都讓機(jī)器學(xué)會去做。

那么，電腦可否超越人腦？“電腦早就在某些方面超越了人腦，比如記得快記得準(zhǔn)，算得快算得準(zhǔn)。但目前在很多智能層次，例如自主學(xué)習(xí)、模糊推理等很多領(lǐng)域，計算機(jī)和人腦仍有相當(dāng)大距離。類腦計算可以縮小它們的差距?！笔┞菲秸J(rèn)為，計算機(jī)的特點(diǎn)是一直前進(jìn)從不退步，因此超越人腦的領(lǐng)域?qū)絹碓蕉?，但我們不必因此懼怕它的發(fā)展?！耙萌祟惖闹腔蹃硪?guī)范人工智能的發(fā)展，讓它服務(wù)于人類?！?/p>