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北京时间10月14日
清华大学计算机系张悠慧团队
精仪系施路平团队与合作者
在《自然》（Nature）杂志发文
首次提出“类脑计算完备性”
以及 软硬件去耦合的类脑计算系统层次结构
完成了清华大学一年多以来
在《自然》正刊的类脑计算领域“三连发”
自2019年8月1日刊登首篇论文，清华大学团队在一年多的时间内完成了类脑计算领域《自然》正刊三连发。三篇论文分别从“异构融合的新型类脑计算芯片与系统”、“基于忆阻器件的神经形态芯片”、以及“类脑计算完备性与系统层次结构”等角度完成了类脑计算领域的首次实现。
此次，清华大学施路平教授团队研究的软硬件去耦合的类脑计算系统层次结构，利用“天机芯”等硬件性能架构相互兼容（即软硬件去耦合），扩展类脑计算系统应用范围，使之能支持通用计算。以完善的计算完备性与软硬件去耦合层次结构，实现用类脑计算构建通用人工智能。
论文研究成果初体验
论文首次提出“类脑计算完备性”以及软硬件去耦合的类脑计算系统层次结构，通过理论论证与原型实验证明该类系统的硬件完备性与编译可行性，并扩展了类脑计算系统应用范围使之能支持通用计算。
研究团队提出了“类脑计算完备性”（也称为神经形态完备性）概念。“通俗来讲，‘完备性’可以回答系统能够完成什么、功能边界在哪里等问题。研究完备性，可以为软硬件系统的解耦合、划分不同研究领域间的任务分工与接口提供理论基础，我们的研究聚焦完备性理论研究，先回答基本的问题。”张悠慧说。
研究团队进一步提出相应的类脑计算机层次结构，该结构具有三个层次：图灵完备的软件模型、类脑计算完备的硬件体系结构、位于两者之间的编译层，并设计构造性转化算法将任意图灵可计算函数转换为类脑计算完备硬件上的模型。
在上述理论与算法基础上，构建支持通用图形处理器、类脑天机芯片和基于阻变存储器的神经形态芯片（仿真）这三类硬件的软件工具链示例，智能自行车（作为神经网络应用代表）参与示范应用。
其中，施路平教授团队研究的新型类脑计算芯片与系统，对开展通用人工智能的应用具有深远意义。
目前，类脑计算处于起步阶段，国际上尚未形成公认的技术标准与方案，这篇论文成果填补了完备性理论与相应系统层次结构方面的空白。
“天机芯”首次走入公众视线
芯片仅是硬件产物，研发出与之配套的类脑计算架构，才能实现类脑计算软件和硬件之间的兼容，快速促进类脑计算的开发效率。
可以说前期对“天机芯”的研究，为今年提出的“类脑计算系统层次结构”打下了坚实的基础。
什么是“天机芯”？
天机芯是一款实现异构融合的电子芯片，可以整合现有人工网络算法，类脑的脉冲神经网络算法，同时支持神经科学发现的众多神经回路网络和异构网络的混合建模，发挥它们各自的优势。在自行车上利用一块“天机芯”同时运行了包括卷积神经网络在内的 5 种不同神经网络，实现了无人自行车驾驶。
去年8月，施路平领衔的科研团队，在《自然》杂志第一周封面上发布全球首款异构融合类脑计算芯——“天机芯”，并由该芯片驱动了一台实验中的“无人驾驶自行车”，实现了中国在芯片和人工智能两大领域《自然》论文零的突破。这一成果被两院院士选为2019年中国十大科技进展、科技部中国十大科学进展。
当时，Nature总编斯基珀博士在接受新华社专访时称赞清华天机芯片的论文将人工智能中的计算机科学研究与神经科学研究结合起来，是人工智能领域的重要里程碑。
“天机芯”的成长轨迹
2015年，第一代“天机芯”问世。“第一代芯片的体积约为110纳米，只是个DEMO（小样）。”论文共同第一作者、清华大学仪器科学与技术研究所副研究员裴京介绍，经过不断改进设计，2017年团队研发了第二代“天机芯”芯片。
第二代“天机芯”基于脉冲神经网络（SNN）的类脑计算算法与基于人工神经网络（ANN）的深度学习算法集成到一颗芯片上。既支持单一计算范式，又支持二者异构建模，明确指向通用人工智能。第二代“天机芯”具有高速度、高性能、低功耗的特点，体积缩小至28纳米。
“天机芯”让自行车有了“思想”
“天机芯”是结合了基于计算机科学和类脑计算的人工智能芯片，可以像人类“大脑”一样进行“思考”。
为了验证天机芯片的处理能力，施路平教授团队用自动驾驶的自行车做了试验，并 开发了一款无人智能自行车系统。
这款无人智能自行车系统包括了激光测速、陀螺仪、摄像头等传感器，刹车电机、转向电机、驱动电机等致动器，以及控制平台、计算平台、天机板级系统等处理平台等。
搭载“天机芯”的无人智能自行车 可以实时感知周围环境，跟随前方的试验人员并自动进行避障的操作，并根据语音指令、视觉感知的反馈产生实时信号对电机进行控制，以达到保持平衡，改变行进状态（包括横向和纵向）。
人们直观感受就是这辆自行车有了“思想”，能够独立完成自平衡、骑行减速和自动避障、过障。从原则上来说，这辆自行车能完成人类能够完成的大部分命令。
类脑计算的未来应用
清华大学类脑计算研究中心已利用知识产权在中关村孵化了北京灵汐科技有限公司，灵汐科技已成为“天机芯”面向市场的进一步开发者。目前，灵汐科技已完成多款类脑芯片、异构编译平台和类脑融合算法的研发，处于本领域研究与产业化前沿。
清华“天机芯”团队的成员之一、灵汐科技技术总监吴臻志表示，类脑计算科学家应该走向更广阔的领域，创造属于类脑计算的专属应用，充分发掘类脑计算的广泛内涵，做类脑计算擅长的事。
对类脑计算的未来应用，我们充满期待。
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编辑丨王艾艾
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