芯東西9月2日消息，我國(guó)類腦計(jì)算技術(shù)發(fā)展迎來新里程碑：億級(jí)神經(jīng)元類腦計(jì)算機(jī)重大成果于9月1日在杭州正式發(fā)布。
3臺(tái)1.6米高的標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器機(jī)柜并排而立，紅色的信號(hào)燈連續(xù)閃爍，這臺(tái)名為Darwin Mouse的類腦計(jì)算機(jī)，由浙江大學(xué)聯(lián)合之江實(shí)驗(yàn)室共同研制成功。
▲Darwin Mouse類腦計(jì)算機(jī)
這是我國(guó)第一臺(tái)基于自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)類腦芯片的類腦計(jì)算機(jī)，也是目前國(guó)際上神經(jīng)元規(guī)模最大的類腦計(jì)算機(jī)。
據(jù)悉，Darwin Mouse包含792顆浙江大學(xué)研制的達(dá)爾文2代類腦芯片，支持1.2億脈沖神經(jīng)元、近千億神經(jīng)突觸，神經(jīng)元數(shù)量規(guī)模與小鼠大腦相當(dāng)，典型運(yùn)行功耗只需要350-500瓦。
類腦計(jì)算機(jī)通過模擬人腦結(jié)構(gòu)與運(yùn)算機(jī)制，突破傳統(tǒng)計(jì)算架構(gòu)存在的瓶頸，被視作解決人工智能（AI）等計(jì)算難題的重要路徑之一。
▲研究團(tuán)隊(duì)合影
該億級(jí)神經(jīng)元類腦計(jì)算機(jī)是浙江大學(xué)“雙腦計(jì)劃”的重要成果。
近年來，浙江大學(xué)聚焦人類智能與機(jī)器智能等核心領(lǐng)域，實(shí)施了簡(jiǎn)稱為“雙腦計(jì)劃”的腦科學(xué)與人工智能會(huì)聚研究計(jì)劃，希望借鑒大腦結(jié)構(gòu)模型和功能機(jī)制，將腦科學(xué)的前沿成果應(yīng)用到人工智能等研究領(lǐng)域，建立引領(lǐng)未來的新型計(jì)算機(jī)體系架構(gòu)。
除打造類腦計(jì)算機(jī)外，該研究團(tuán)隊(duì)還研制了專門面向類腦計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)——達(dá)爾文類腦操作系統(tǒng)（DarwinOS），實(shí)現(xiàn)對(duì)類腦計(jì)算機(jī)硬件資源的有效管理與調(diào)度，支撐類腦計(jì)算機(jī)的運(yùn)行與應(yīng)用。
目前，該類腦計(jì)算機(jī)已運(yùn)行多種智能任務(wù)，包括多機(jī)器人協(xié)同抗洪搶險(xiǎn)、聽歌識(shí)曲、意念打字等。
01
模擬生物大腦，顛覆傳統(tǒng)計(jì)算架構(gòu)
現(xiàn)有計(jì)算機(jī)大多基于馮·諾依曼架構(gòu)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與計(jì)算分離，但隨著摩爾定律趨緩，這一傳統(tǒng)架構(gòu)的局限性越來越明顯。
數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)與計(jì)算單元間傳輸所帶來的通信帶寬、延遲和功耗，已成為影響當(dāng)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能提高的關(guān)鍵阻礙。
在研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授潘綱看來，這種計(jì)算模式制約了以大數(shù)據(jù)為代表的計(jì)算性能提升。
潘綱認(rèn)為，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能算法、訓(xùn)練需要海量樣本與密集計(jì)算，但舉一反三、自我學(xué)習(xí)等高級(jí)能力比較差，“現(xiàn)在的機(jī)器智能離人的智能差得還很遠(yuǎn)。”
如何突破傳統(tǒng)計(jì)算架構(gòu)存在的存儲(chǔ)墻、功耗墻等瓶頸？
模擬生物大腦被科學(xué)家們視為有效之徑。
杜克大學(xué)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)中心的斯科特·胡特爾曾說過：“在已知的宇宙中，人類的大腦是最復(fù)雜的東西，它復(fù)雜得讓試圖解釋它的簡(jiǎn)單模型可笑，讓精致的模型無用。”
在自然界中，生物大腦在與環(huán)境相互作用過程中，能自然產(chǎn)生覓食、交流、決策、嗅覺識(shí)別、視覺識(shí)別等各種智能行為，同時(shí)消耗的能量非常低。
即便是大腦神經(jīng)元遠(yuǎn)低于100萬(wàn)的昆蟲，也能做出滿足生存需求的各種智能行為。
而用硬件及軟件模擬大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和運(yùn)作機(jī)制的新型計(jì)算模式，被稱為類腦計(jì)算。
▲類腦計(jì)算機(jī)應(yīng)用演示：嗅覺識(shí)別
類腦計(jì)算的特點(diǎn)在于存算一體、事件驅(qū)動(dòng)、高度并行等，模擬生物的神經(jīng)元行為，通過脈沖傳遞信號(hào)，能實(shí)現(xiàn)高度并行，相較傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)效率更高、能耗更低。
此前，浙江大學(xué)在2015年和2019年分別研制成功達(dá)爾文1代和達(dá)爾文2代類腦計(jì)算芯片，用芯片去模擬大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)與功能機(jī)制，能以高效能低功耗處理圖像、視頻、自然語(yǔ)言相關(guān)任務(wù)。
此次發(fā)布的重大成果，即是將792顆達(dá)爾文2代類腦計(jì)算芯片集成于3臺(tái)1.6米高的標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器機(jī)箱中，形成一臺(tái)強(qiáng)大的機(jī)架式類腦計(jì)算機(jī)。
02
搭配類腦操作系統(tǒng)，已實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人協(xié)同、聽歌識(shí)曲和意念打字
據(jù)項(xiàng)目研究骨干金孝飛介紹，每顆芯片上有15萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元，每4顆芯片做成一塊板子，若干塊板子再連接起來成為一個(gè)模塊。
▲Darwin Mouse類腦計(jì)算機(jī)
說起來輕巧，但要讓這么多神經(jīng)元能夠?qū)崿F(xiàn)高效的聯(lián)動(dòng)組合和信息流分配，還需要軟件的助力。
為此，研究團(tuán)隊(duì)還研發(fā)了一個(gè)專門面向類腦計(jì)算機(jī)的類腦操作系統(tǒng)——達(dá)爾文類腦操作系統(tǒng)（DarwinOS）。
該操作系統(tǒng)面向馮·諾依曼架構(gòu)與神經(jīng)擬態(tài)架構(gòu)的混合計(jì)算架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)異構(gòu)計(jì)算資源的統(tǒng)一調(diào)度和管理，為大規(guī)模脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算任務(wù)提供運(yùn)行和服務(wù)平臺(tái)。
金孝飛說：“目前達(dá)爾文類腦操作系統(tǒng)的功能任務(wù)切換時(shí)間達(dá)微秒級(jí)，可支持億級(jí)類腦硬件資源管理。”
在此基礎(chǔ)上，類腦計(jì)算機(jī)既能應(yīng)用于生活中的智能任務(wù)，也能用于神經(jīng)科學(xué)研究。
目前，浙江大學(xué)與之江實(shí)驗(yàn)室的科研人員基于Darwin Mouse類腦計(jì)算機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)多種智能任務(wù)。
比如，以類腦計(jì)算機(jī)為智能中樞，實(shí)現(xiàn)抗洪搶險(xiǎn)場(chǎng)景下多個(gè)機(jī)器人的協(xié)同工作。該任務(wù)涉及到語(yǔ)音識(shí)別、目標(biāo)檢測(cè)、路徑規(guī)劃等多項(xiàng)智能任務(wù)的同時(shí)處理，以及機(jī)器人間的協(xié)同。
▲類腦計(jì)算機(jī)應(yīng)用演示：多機(jī)器人協(xié)同抗洪搶險(xiǎn)
3臺(tái)外形相似的機(jī)器人，分別承擔(dān)巡邏、搶險(xiǎn)、營(yíng)救任務(wù)，在經(jīng)過簡(jiǎn)單訓(xùn)練后，合作展開抗洪救險(xiǎn)任務(wù)。
1號(hào)機(jī)器人巡邏發(fā)現(xiàn)堤壩缺口后，會(huì)呼叫3號(hào)機(jī)器人來修壩，同時(shí)搜尋受傷人員，當(dāng)發(fā)現(xiàn)傷員，會(huì)呼叫2號(hào)機(jī)器人來救援，然后1號(hào)再到其他地方繼續(xù)巡邏。
這些機(jī)器人的功能并非固定的，而是可以通過不同腦區(qū)來操控，給1、2、3號(hào)機(jī)器人指配各種不同的任務(wù)。
另一個(gè)實(shí)驗(yàn)是是“聽歌識(shí)曲”，課題組成員唱一首歌的其中兩句，然后計(jì)算機(jī)通過回想將后續(xù)的歌曲內(nèi)容“唱”出來。
據(jù)項(xiàng)目研究骨干唐華錦教授介紹，這是類腦計(jì)算機(jī)通過模擬海馬體記憶機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)大腦內(nèi)部記憶信息的存取，與我們常用的檢索功能不同。
Darwin Mouse類腦計(jì)算機(jī)通過借鑒海馬體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及神經(jīng)機(jī)制建立記憶模型架構(gòu)，可以模擬海馬體的記憶-學(xué)習(xí)功能，通過記憶的脈沖編碼，同一模型就可以學(xué)習(xí)與記憶語(yǔ)音、歌曲、文本等不同類型數(shù)據(jù)。
借助類腦計(jì)算機(jī)，研究人員還實(shí)現(xiàn)了腦電信號(hào)的穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位實(shí)時(shí)解碼，可“意念”打字輸入。
03
結(jié)語(yǔ)：類腦計(jì)算將成為未來計(jì)算的重要平臺(tái)
當(dāng)前，類腦計(jì)算研究仍處于初級(jí)階段，與真正的人類大腦還相差甚遠(yuǎn)。
浙江大學(xué)和之江實(shí)驗(yàn)室研究員的目標(biāo)是，希望隨著神經(jīng)科學(xué)發(fā)展和類腦計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)軟件、工具鏈及算法的成熟，有朝一日能夠讓類腦計(jì)算機(jī)像馮·諾依曼架構(gòu)計(jì)算機(jī)一樣通用化，真正像大腦一樣高效工作，與馮·諾依曼架構(gòu)并存與互補(bǔ)，去解決不同的問題。
之江實(shí)驗(yàn)室朱世強(qiáng)透露，研究團(tuán)隊(duì)下一步將繼續(xù)研發(fā)支撐更大神經(jīng)元規(guī)模的類腦計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)體系，并逐步實(shí)現(xiàn)開源開放。
浙江大學(xué)校長(zhǎng)吳朝暉院士表示，類腦計(jì)算機(jī)將成為未來計(jì)算的主要形態(tài)和重要平臺(tái)，將在模擬腦功能、高效實(shí)現(xiàn)AI算法、提升計(jì)算能力等方面發(fā)揮重要的獨(dú)特作用。
面向未來，學(xué)科交叉會(huì)聚將成為解決重大問題的新方法，基于多學(xué)科、多領(lǐng)域的系統(tǒng)創(chuàng)新將成為研制類腦計(jì)算機(jī)的有效形式。