類腦計算,將成為解開大腦秘密和進入通用人工智能大門的“鑰匙”。

“只要大腦的奧秘尚未大白于天下,宇宙將仍是個謎�！�

                         ——Santiago Ramón y Cajal (1906年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎獲得者)

近百年來,圍繞著腦科學領域已經頒發(fā)了近20項諾貝爾獎,但人類至今仍然難以準確說出究竟大腦還有多少未解之謎等待著去征服。對大腦結構和功能的探索,已經成為當下最具挑戰(zhàn)性也是最有意義的前沿科學難題。

說其最有意義,是因為大腦的解密已經與我們每個人的生活息息相關。一方面,許多因為大腦而引起的如老年性癡呆、抑郁、自閉癥等疾病目前仍無較好的治療方案,甚至還不能對病理有清晰、準確的掌握;另一方面,如人工智能、腦機接口等正在改善人類生活的科學研究,其發(fā)展路徑也高度依賴于對人腦秘密的探索程度。

正是基于以上原因,自進入二十一世紀以來,世界發(fā)達國家如日本、美國和歐盟等紛紛開啟了“腦計劃”,投入大量資金、人力,以求能快速解開大腦的秘密。腦科學與腦認知,已經被多國視為人類最后的科學尖端,是科研領域 “皇冠上的明珠”。

如今, “中國腦計劃”的啟動,使中國成為繼美國、歐盟和日本之后,第四個推出腦科學研究計劃的國家。中國腦計劃提出“一體兩翼”的發(fā)展策略, “以腦認知原理為主體,以類腦計算與腦機智能、腦重大疾病診治為兩翼,搭建關鍵技術平臺,搶占腦科學前沿研究制高點”——這在《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》中被明確提到。

在這“一體兩翼”中,類腦計算正在成為近年來在國際與國內都非�；馃岬囊粋�研究方向。通俗得說,類腦計算指的是:通過借鑒于人腦的基本原理,來改進、升級甚至變革我們傳統的計算模式。對于中國“腦計劃”的發(fā)展與突破,類腦計算正在發(fā)揮著“尖兵”的作用。

那么,類腦計算將對哪些細分領域起到重要作用?如何實現類腦計算的落地與應用?中國目前有哪些領先于世界的相關技術?

帶著這些問題,鎂客網專訪了中國智慧城市產業(yè)與技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯盟理事、北京科委&中關村管委會技術專家、北京靈汐科技有限公司CMO華寶洪,與其進行了深入的交流。

“小試牛刀”的類腦計算,后摩爾時代的破題之道

鎂客網注意到,今年5月14日,國家科技體制改革和創(chuàng)新體系建設領導小組第十八次會議在京召開,本次會議不僅由國務院副總理劉鶴主持會議并講話,還專題討論了面向后摩爾時代的集成電路潛在顛覆性技術。這說明,對于即將到來的后摩爾時代所要面臨的新挑戰(zhàn),已經成為了國家重點關心的方向。

那么,什么是面向后摩爾時代的集成電路潛在顛覆性技術?會議并沒有對外完全透露。但華寶洪告訴記者,和學界的不少觀點一樣,“類腦計算”應該就是會議中所提到的潛在戰(zhàn)略性與顛覆性技術之一。

所謂摩爾定律,即“在價格不變的情況下,每18-24個月,集成電路可容納的晶體管數翻一倍,性能提升一倍”。而隨著半導體技術的不斷突破,受制于芯片內部信號的有效傳遞已經接近物理尺度的極限,目前想要在5nm以下再提升工藝水平已經是極為尖端的技術難題,而成本、市場與需求之間的平衡,也極大可能難以為繼。

這也就意味著,算力的發(fā)展將遇到較大的瓶頸,而與之相關度較高的如人工智能等產業(yè),即將迎來潛在的沖擊。

以人工智能舉例,在第三次發(fā)展浪潮后,傳統意義上的“三駕馬車”——算法、算力、大數據,為人工智能這幾年如火如荼的發(fā)展插上了翅膀。但后摩爾時代的計算技術面臨的挑戰(zhàn),給人工智能未來的發(fā)展蒙上了一層陰影。

華寶洪表示,對于人工智能等高度依賴芯片能力的產業(yè)來說,傳統意義上的單純依靠堆大數據、高算力或將成為過去式,要想有新的突破,就必須有新的思路。

“以自動駕駛這一細分領域舉例,現在市面上各家都在提升算力、算法,不斷用大量的圖像數據來訓練模型,但依然還是面臨著無法突破的瓶頸。人工智能發(fā)展的“三駕馬車”,現在已經面臨發(fā)展瓶頸,要解決后摩爾時代的挑戰(zhàn),我認為還是要看類腦計算”。

目前學界的不少觀點也認為,傳統的“三駕馬車”+馮諾依曼架構硬件所支撐的人工智能之路,正在越走越窄。清華大學類腦計算研究中心主任施路平教授曾表示,“基于碳基已經發(fā)展出現有的人類通用智能,基于硅芯片已經發(fā)展出強大的機器智能,借鑒腦科學的基本原理發(fā)展類腦計算,支撐人工通用智能發(fā)展,是完全有可能的�！�

由此看來,類腦計算將有可能成為一把突破傳統AI計算瓶頸、打開通用人工智能大門的鑰匙,從而也就破解了后摩爾時代所帶來的新挑戰(zhàn)。不僅如此,華寶洪認為,對后摩爾時代人工智能方向的支持,只能算是類腦計算的“小試牛刀”,其“用武之地”實際上更為寬廣。

腦仿真和腦科學研究,是類腦計算更大的“用武之地”

“目前大多數發(fā)達國家腦計劃的目的,并不僅單純?yōu)榱巳ソ鉀Q人工智能的問題,而且也在關注和探索:如何去解決人類腦健康(包括精神疾病、腦疾病等領域)所面臨的困難�！比A寶洪這樣告訴記者。

鎂客網注意到,屢屢在各國“腦計劃”中提到的類腦計算,首要是解決腦科學、腦認知方面的問題;其次是解決類腦智能計算的問題;而后才涉及到人工智能、腦機接口等前沿技術的支撐助力。可以說,類腦計算這把“牛刀”還是為了加速助力解開大腦的秘密。

華寶洪對記者表示,過往的對腦科學領域的研究,經常會使用到一些小白鼠、猴子等動物進行實體實驗,單純的走醫(yī)學途徑去了解大腦中的神經元、神經脈沖等功能結構和信息傳遞機制等。盡管結果直觀,但也存在著不少弊端:倫理層面上,世界范圍內都在呼吁珍愛實驗動物;技術層面上,由于動物個體的差異性等因素,存在著實驗成本高、結果難復現等問題。

正是在這種情況下,類腦計算有了發(fā)揮空間。

“現在我們提供了另外一種手段,通過利用類腦計算芯片搭建大規(guī)模的腦仿真平臺,可以支持促進對生物腦動力學模擬等領域的研究。借助由類腦計算芯片構建的類腦服務器以及類腦計算集群,不遠的未來我們將可以模擬十億、百億甚至千億級神經元規(guī)模的生物腦網絡活動�！�

而通過類腦計算所實現的大規(guī)模腦仿真,可以大大降低腦科學領域實驗的成本,提升大規(guī)模生物腦仿真的速度,同時其可復現性的特點也足以保證實驗結果的客觀準確性。

有了大規(guī)模腦仿真,未來一些讓人類“頭疼”的問題就有望更快地得到解決。例如帕金森、抑郁等腦疾病的病理的探究、相關藥物的治療效果試驗,都有可能通過腦仿真平臺去進行測試。同時像腦機接口和前文提到的人工智能等前沿技術,也可以被類腦計算“賦能”。

華寶洪認為,“我們(類腦計算的研究)最終的目的是為了服務于人類的健康,這比類腦計算帶給工業(yè)界的社會意義可能更為直觀。而且,通過腦仿真和類腦計算,我覺得給大家的腦科學科研路徑和方法上打開了一個新的想象空間,這是最重要的一點。”

雙腦驅動、異構融合——征服世界頂級學刊的中國類腦芯片

芯片,是類腦計算落地應用的重要載體。目前,像IBM的TrueNorth、德國的BrainScales和英特爾的Loihi等,都是國際上較為知名的類腦芯片,并已經應用在大規(guī)模腦仿真等腦科學相關的項目中。那么,中國的類腦芯片,表現如何?

2019年8月1日,清華大學類腦計算中心主任施路平團隊的科研成果——上一代類腦計算芯片 “天機芯”登上世界頂級學術期刊《Nature》的封面位置。據統計,這不僅是《Nature》創(chuàng)刊130余年歷史中,僅有的十余篇華人一作的主刊封面論文之一,同時還實現了中國在芯片和人工智能兩大領域中,在《Nature》期刊上論文零的突破�！爱悩嬋诤项惸X芯片”究竟強在哪?

記者發(fā)現,深度學習加速器(支持人工神經網絡)和類腦芯片(支持腦神經網絡)是當前人工智能芯片代表性的兩個主流方向,而目前的其他家芯片只能支持其中一類神經網絡。北京靈汐科技今年成功量產了新一代類腦計算芯片-領啟KA200,這款以“雙腦驅動、異構融合”思路作為指導研發(fā)出的商用類腦芯片,則打破了這一禁錮。

“何為雙腦驅動?通俗的說,就是把計算機的剛性和人腦的彈性結合起來”。

華寶洪對記者表示,計算機適合處理的是確定的、靜態(tài)的、不變的場景,它的特點是快速準確,表現特點為“剛性”。人腦擅長處理的是近似的、不穩(wěn)定和多變的場景,表現特性為“彈性”。

“KA200類腦芯片的設計思路,就是希望能夠把計算機這種快速、準確的特點,和人腦在抗噪音、稀疏處理和時空相關性等特點做融合,最終打造出具有雙腦驅動、異構融合的類腦芯片”。

“KA200”類腦芯片的優(yōu)勢是多方面的,突破了馮·諾依曼傳統架構,采用眾核并行,存算一體和分布式計算等核心技術。單芯片支持25萬神經元和2500萬個突觸,其計算能效比高、擴展性好,可以同時高效地支持傳統人工神經網絡和脈沖神經網絡,助力和支撐人工通用智能的發(fā)展。

八年磨一劍的靈汐,賽道上砥礪前行的狂奔者

任何科研成果從學界轉向業(yè)界,都是驚險的一跳。這對于手握世界頂級類腦計算技術的靈汐科技團隊來說,同樣如此。

畢竟,無論是國際還是國內,類腦芯片的研發(fā)都是一項長期而艱苦的工作,尤其當靈汐科技甩開了傳統的思維與框架,力圖走出一條顛覆性的路線時,就要迎接更多的挑戰(zhàn)和艱辛。

從2013年承建國家項目,2018年成立靈汐科技,到2019年科研成果登上Nature封面,再到2021年商用類腦芯片產品正式量產落地,整個團隊已經走過8年的時光,其規(guī)模也逐漸增長到了200人以上。

華寶洪告訴記者,最近幾年團隊規(guī)模進入快速發(fā)展階段。但更重要的是——在最新研發(fā)的KA200芯片量產成功后,靈汐團隊已經完成首批客戶簽單,實現了營收。

“目前我們正在和國內眾多的客戶和合作伙伴進行對接測試和商業(yè)落地合作,涉及腦科學,安防、車路協同、智慧工控、新基建等多個行業(yè)方向�！�

現在,靈汐科技推出類腦芯片,類腦計算板卡,類腦計算服務器等硬件,還配套提供面向傳統人工智能和腦科學研究的全套軟件工具棧。

華寶洪認為,“靈汐科技給合作伙伴提供的是基礎的軟硬件能力,我們非常愿意跟各個合作伙伴一起去探討各個行業(yè)應用的結合,讓異構融合、雙腦驅動的類腦芯片給客戶創(chuàng)造更大的價值�！�

“在當下,腦科學和類腦智能已經成為國家“十四五規(guī)劃”中的重點新興領域,也是國家層面大力扶持的領域。靈汐科技希望能夠在后摩爾時代,既能有效拓展客戶在原有深度學習方面形成的能力,又能在目前逐漸升溫的腦科學、類腦智能計算等領域里,為大家開辟了一個新的發(fā)展空間”。

寶劍鋒自磨礪出。八年磨一劍的靈汐科技團隊,沒有盲從追隨主流的傳統框架,而是選擇了在異構融合類腦芯片的這條“一個人的賽道”上狂奔。未來中國在腦科學、腦認知領域的進展與突破,會因靈汐科技而帶來多少驚喜?讓我們拭目以待。

作者:毛毛