李明子

如何讓一輛單車自主行走？清華大學(xué)自動(dòng)化系教授趙明國(guó)或許是最有發(fā)言權(quán)的人之一，他研究智能自行車已經(jīng)五年多。經(jīng)過幾輪升級(jí)進(jìn)化，這臺(tái)通體黑色的高科技自行車已經(jīng)可以在變速跟蹤目標(biāo)的同時(shí)主動(dòng)躲避障礙、理解語(yǔ)音指示并自主決策了。

這歸功于它的“大腦”，一枚名為“天機(jī)”的人工智能芯片?！白孕熊囍皇翘鞕C(jī)芯的一個(gè)應(yīng)用，目的就是驗(yàn)證這款芯片的設(shè)想是可行的?！?趙明國(guó)對(duì)《中國(guó)新聞周刊》說?！爱?dāng)然了，現(xiàn)在還不能指望車子摔倒后自己學(xué)著站起來(lái)?！?/p>

盡管AI一詞最初就是用于表達(dá)與人類智能相似的機(jī)器智能的含義，但在其跌宕起伏的發(fā)展過程中，AI的內(nèi)涵已經(jīng)發(fā)生了變化，成為機(jī)器學(xué)習(xí)、統(tǒng)計(jì)分析的代名詞，遠(yuǎn)離了智能的初衷。在這種情況下，一些“不忘初心”的研究人員共同成立了人工通用智能協(xié)會(huì)，并確定使用人工通用智能（Artificial general intelligence）作為該領(lǐng)域的正規(guī)稱謂。

在人工通用智能領(lǐng)域，基于計(jì)算機(jī)科學(xué)的算法是主流，其具體應(yīng)用如圖像識(shí)別、語(yǔ)言處理和游戲等，已然深入日常生活，可以高度準(zhǔn)確地完成指定任務(wù)，但還無(wú)法像人一樣具有思考和決策的智慧。另一個(gè)發(fā)展方向則是以生物領(lǐng)域的神經(jīng)科學(xué)為導(dǎo)向，試圖模仿人類大腦皮層，但還沒有成熟的應(yīng)用。由于兩者在公式和編碼方案上的根本差異，此前分別依賴于截然不同平臺(tái)。

天機(jī)芯試圖突破瓶頸，實(shí)現(xiàn)“異構(gòu)融合”，即融合兩種人工智能范式，不僅在算法上，更是在硬件上。包括趙明國(guó)在內(nèi)，清華大學(xué)類腦計(jì)算研究中心的整個(gè)團(tuán)隊(duì)與這個(gè)設(shè)想周旋了七年。

今年8月，天機(jī)芯登上《自然》雜志的封面?！爱悩?gòu)融合本身是顛覆性的，沒有經(jīng)驗(yàn)可借鑒，也沒有參考資料?！贝舜窝芯康暮献鲉挝怀蓡T、新加坡科技與設(shè)計(jì)大學(xué)終身副教授、人工智能實(shí)驗(yàn)室主任趙蓉解釋說。趙明國(guó)在接受《麻省理工科技評(píng)論》采訪時(shí)表示，“天機(jī)芯為未來(lái)人工通用智能的發(fā)展提供了一種可能的解決方案”，國(guó)內(nèi)媒體則稱贊說，“這實(shí)現(xiàn)了中國(guó)在芯片和人工智能兩大領(lǐng)域Nature論文零的突破”。

搭載天機(jī)芯的無(wú)人智能自行車已經(jīng)可以完成語(yǔ)音識(shí)別、目標(biāo)鎖定、障礙辨別和自主決策等功能。

“人工通用智能最好的前景就是將機(jī)器學(xué)習(xí)與大腦建模結(jié)合起來(lái)，這也是異構(gòu)融合方案吸引人的地方”

天機(jī)芯被安置在自行車后座一個(gè)黑色盒子里，實(shí)際上還沒有小拇指甲蓋大，準(zhǔn)確數(shù)字是3.8㎜×3.8㎜，上面密密麻麻地排列著156個(gè)計(jì)算單元，在更微觀的層面，共包含四萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元和一千萬(wàn)個(gè)突觸。

僅從數(shù)量上看，單枚芯片的智力還不如一只果蠅，這種常被拿來(lái)實(shí)驗(yàn)的昆蟲有幾十萬(wàn)到一百萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元，是人腦神經(jīng)元數(shù)量的兩千多萬(wàn)分之一?！斑@只是個(gè)基礎(chǔ)，證明可以在這么小的板子上高密度計(jì)算，未來(lái)還會(huì)不斷優(yōu)化?！眻F(tuán)隊(duì)成員之一、清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系教授張悠慧解釋說。

模擬人腦的基礎(chǔ)歸功于團(tuán)隊(duì)另一位成員，清華生物醫(yī)學(xué)工程系副教授宋森。他建立了一個(gè)可以綜合表達(dá)神經(jīng)元特性的數(shù)學(xué)模型，繼而用器件和電路模擬出來(lái)，把對(duì)人腦神經(jīng)回路的觀察應(yīng)用到算法和芯片構(gòu)建上。

硬件的設(shè)計(jì)思路，就是總結(jié)出人工通用智能兩種模式的共性，共享給神經(jīng)元和突觸，讓神經(jīng)元和突觸本身可自由配置，既可以服務(wù)基于計(jì)算機(jī)科學(xué)的人工通用智能算法，也可以服務(wù)受神經(jīng)科學(xué)啟發(fā)的模型和算法，達(dá)到混合、協(xié)同的效果。這就好比一個(gè)可以兼容蘋果IOS和安卓的手機(jī)系統(tǒng)，盡量總結(jié)出兩者的共性并支持之，同時(shí)保留IOS和安卓的個(gè)性，靈活設(shè)計(jì)硬件，使之能按需配置，既能支持蘋果，又能支持安卓。

系統(tǒng)芯片是軟件和硬件的結(jié)合，張悠慧的工作便是設(shè)計(jì)軟件工具鏈，讓上層算法能夠在芯片上跑起來(lái)，簡(jiǎn)單地說，就是通過工具鏈將不同層面的算法自動(dòng)匹配到芯片的不同位置。

憶阻器主要發(fā)明人、加州大學(xué)洛杉磯分校物理系教授理查德·斯坦利·威廉姆斯（Williams， R. Stanley）在給《中國(guó)新聞周刊》回復(fù)的郵件中寫道：“人工通用智能的瓶頸在于我們?nèi)狈?duì)人類大腦的了解，最好的前景就是將機(jī)器學(xué)習(xí)與大腦建模結(jié)合起來(lái)，這也是異構(gòu)融合方案吸引人的地方，它允許不同方案混合起來(lái)解決單個(gè)領(lǐng)域出現(xiàn)的問題?！?/p>

芯片研發(fā)的同時(shí)，趙明國(guó)也在訓(xùn)練自行車，讓它“掌握平衡”?！熬拖袢藢W(xué)騎自行車一樣，一開始很難平衡，但會(huì)騎之后就很容易了?！壁w明國(guó)解釋說，這需要綜合考慮自行車的速度、彈性車輪和不同地面之間的摩擦、風(fēng)的擾動(dòng)等等問題。

經(jīng)過不計(jì)其數(shù)的試驗(yàn)，到2014年底，自行車已經(jīng)可以在平地勻速前行，或是在稍微粗糙一點(diǎn)的草地上自行，通過車把的轉(zhuǎn)向控制就可以實(shí)現(xiàn)。幾個(gè)月后，安裝完大腦的自行車已經(jīng)可以在天機(jī)芯的控制下完成圖像識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別等多種智能。

在清華大學(xué)精密儀器系另一間實(shí)驗(yàn)室，不到20平方米的房間里架了36臺(tái)攝像機(jī)，全天記錄天機(jī)芯采集的數(shù)據(jù)，然后輸送到類腦計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析、計(jì)算、優(yōu)化，再反饋到芯片和自行車上。

“Straight！Left！Speed up！”（直行，左轉(zhuǎn)，加速）2016年冬天，趙明國(guó)的學(xué)生們穿著羽絨服在操場(chǎng)上訓(xùn)練自行車時(shí)，這輛晃晃悠悠的單車已經(jīng)可以順利完成所有指令。圍繞這枚小小的芯片，類腦計(jì)算研究團(tuán)隊(duì)融合了生物醫(yī)學(xué)、電子、微電子、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化、材料和精密儀器等7個(gè)院系的多個(gè)學(xué)科的師生。

天機(jī)芯是非馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的。對(duì)此，趙蓉解釋說，這種結(jié)構(gòu)是將處理與存儲(chǔ)兩個(gè)模塊分離，中央處理器（CPU）執(zhí)行計(jì)算命令前要先從存儲(chǔ)單元中把數(shù)據(jù)調(diào)出，計(jì)算后再存到存儲(chǔ)器中。伴隨大數(shù)據(jù)和人工智能的發(fā)展，處理器不斷優(yōu)化，速度呈指數(shù)上升，時(shí)間單位可精確到微秒，而存儲(chǔ)器被遠(yuǎn)遠(yuǎn)落在了后面，兩者之間的差距越來(lái)越大，這種分離的架構(gòu)已經(jīng)無(wú)法滿足高速、節(jié)能等新要求?！翱傮w上看，天機(jī)芯的處理和存儲(chǔ)已經(jīng)可以在不同層面上實(shí)現(xiàn)了不同程度的統(tǒng)一?！?/p>

有業(yè)內(nèi)專家指出，目前所有通用的計(jì)算機(jī)都是馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的，突破馮結(jié)構(gòu)是業(yè)界的一個(gè)研究方向，此前也已經(jīng)有不少探索實(shí)踐，出現(xiàn)了一些代表性成果。但直到今天，這些非馮結(jié)構(gòu)的應(yīng)用場(chǎng)景、應(yīng)用規(guī)模都還比較有限，難以大規(guī)模推廣。像天機(jī)芯這樣基于人腦的神經(jīng)科學(xué)架構(gòu)起來(lái)的計(jì)算體系，是一個(gè)很有希望的嘗試，值得繼續(xù)研究。

“如果研究總想著如何趕超先進(jìn)，是否能應(yīng)用，就很難做到最好，或是做出顛覆性成果。”

“人為什么需要一臺(tái)無(wú)人智能自行車？”這是趙明國(guó)聽到的最多的疑問，在天機(jī)芯登上《自然》之前，疑問背后的質(zhì)疑明顯多于好奇。

曾有一位企業(yè)家參觀實(shí)驗(yàn)室時(shí)，毫不客氣地說，“搞這個(gè)有什么用，什么也干不了，生產(chǎn)不了什么應(yīng)用?！币欢ǔ潭壬?，這代表了當(dāng)時(shí)多數(shù)人的普遍態(tài)度。

回國(guó)前，施路平曾在新加坡科技局?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)研究院擔(dān)任人工認(rèn)知存儲(chǔ)器實(shí)驗(yàn)室主任，2004年，因其在類超晶格相變材料和器件上的杰出貢獻(xiàn)，作為第一完成人成為當(dāng)年新加坡國(guó)家科技獎(jiǎng)得主。在收到加盟清華的邀請(qǐng)時(shí)，施路平已經(jīng)帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研究類腦計(jì)算近六年。他認(rèn)識(shí)到存儲(chǔ)與處理之間不可逾越的高墻源自傳統(tǒng)的馮·諾依曼結(jié)構(gòu)，打破瓶頸的辦法就是學(xué)習(xí)人腦模式，將計(jì)算與存儲(chǔ)融合，這不僅需要存儲(chǔ)器方面的人才，更需要生物工程學(xué)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等多個(gè)學(xué)科的融合。這次邀約，讓他心動(dòng)了。

“清華有實(shí)現(xiàn)多學(xué)科融合的基礎(chǔ)?！壁w蓉回憶說，當(dāng)時(shí)在新加坡也曾嘗試跨學(xué)校、跨機(jī)構(gòu)合作，但各家有各自的科研任務(wù)，融合起來(lái)有難度。至于清華，“畢竟大家都在一個(gè)校園里，更重要的是，清華有高水平的腦科學(xué)方面的專家?！?012年，施路平辭去在新加坡的所有職務(wù)，全職回到清華。

就在施路平回到清華組建類腦計(jì)算團(tuán)隊(duì)之時(shí)，世界各地的科研人員和機(jī)構(gòu)也先后意識(shí)到仿生學(xué)對(duì)未來(lái)人工智能的意義。2008年，美國(guó)國(guó)防部下屬的國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）通過立項(xiàng)，開始資助科技公司IBM研制面向智能處理的脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片;2013年，歐盟“人腦計(jì)劃”獲得10億歐元的資金支持，由26個(gè)國(guó)家的135個(gè)機(jī)構(gòu)合作參與，研究為期10年;日本科學(xué)家也在2014年發(fā)起“神經(jīng)科學(xué)研究計(jì)劃”，項(xiàng)目預(yù)計(jì)在未來(lái)十年受到日本教育部、文化部和醫(yī)學(xué)研究與發(fā)展委員會(huì)共400億日元的資助。

凈身回國(guó)的施路平當(dāng)時(shí)一沒有人，二沒有錢，項(xiàng)目書連首輪盲選都挺不過去，“類腦計(jì)算是個(gè)啥玩意？”人們不了解，也不敢信。好在他的堅(jiān)持得到清華大學(xué)前后兩任校長(zhǎng)的大力支持，當(dāng)時(shí)主管人事的副校長(zhǎng)邱勇負(fù)責(zé)引進(jìn)施路平，時(shí)任校長(zhǎng)陳吉寧拿出600萬(wàn)元校長(zhǎng)基金支持類腦計(jì)算研究，這筆啟動(dòng)資金支撐施路平度過了最艱難的“創(chuàng)業(yè)期”。

加入清華后，施路平每天騎著一臺(tái)小破自行車穿梭在清華校園里，到處聯(lián)系團(tuán)隊(duì)、人員。趙明國(guó)當(dāng)時(shí)還不知道，這個(gè)突然加入教師籃球隊(duì)、與他志氣相投的施路平，就是傳說中學(xué)校從新加坡挖來(lái)的專家，直到2014年夏天，施路平到他的實(shí)驗(yàn)室談起類腦計(jì)算芯片與機(jī)器人的合作，才把人對(duì)號(hào)入座。

張悠慧的加入稍晚一些，2014年秋季開學(xué)后，他應(yīng)施路平邀請(qǐng)參加類腦計(jì)算團(tuán)隊(duì)的組會(huì)?！耙晃葑佣焕蠋煟顺４蚪坏缿?yīng)用算法、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、材料等專業(yè)的同事，還有生物系的專家?！睆堄苹刍貞浾f，最初大家“互相聽不懂對(duì)方在說什么，因?yàn)榇蠹业难芯克悸肪筒灰粯??！睆堄苹叟e例說，生物領(lǐng)域一般先做假設(shè)，再去驗(yàn)證，而做系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)之前一般已經(jīng)有了明確要解決的問題。

異構(gòu)融合的設(shè)想是施路平提出的，然后和團(tuán)隊(duì)一起不斷討論。他習(xí)慣把隨時(shí)蹦出的想法記在隨身攜帶的本子上，有時(shí)半夜想起什么，就爬起來(lái)把點(diǎn)子寫出來(lái)。

國(guó)內(nèi)類腦計(jì)算研究的發(fā)展在2014年迎來(lái)轉(zhuǎn)機(jī)。當(dāng)年8月，IBM宣布推出百萬(wàn)神經(jīng)元類腦芯片TrueNorth，只有郵票大小，重量幾克，能力相當(dāng)于一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)，功耗卻只有65毫瓦，這一研究在2014年被《科學(xué)》雜志刊登后，越來(lái)越多的人開始擁抱“類腦計(jì)算”。但TrueNorth仍沒有打破馮？？諾依曼體系。

“如果研究總想著如何趕超先進(jìn)，是否能應(yīng)用，就很難做到最好，或是做出顛覆性成果。”趙明國(guó)對(duì)《中國(guó)新聞周刊》說。2015年，第一代天機(jī)芯誕生，異構(gòu)融合的想法被證實(shí)可行，但芯片工藝和性能還需要進(jìn)一步優(yōu)化，于是在2017年推出了第二代，就是《自然》封面上那個(gè)畫著人類大腦的芯片的真身。

2017年底，一家名為“天津清芯眾誠(chéng)科技合伙企業(yè)”的公司成立，經(jīng)營(yíng)范圍包括芯片、系統(tǒng)、算法、軟件技術(shù)服務(wù)等，股東包括施路平、張悠慧、趙蓉及清華大學(xué)精密儀器系副研究員裴京等幾位團(tuán)隊(duì)主創(chuàng)人員。兩個(gè)月后，由天津清芯出資占股62.68%的北京靈汐科技有限公司成立，在天津清芯基礎(chǔ)上，增加了銷售自行開發(fā)的產(chǎn)品、計(jì)算機(jī)、軟件及輔助設(shè)備、電子產(chǎn)品等業(yè)務(wù)。《自然》論文中兩位署名作者就來(lái)自靈汐科技。

靈汐科技市場(chǎng)總監(jiān)華寶洪今年5月接受媒體采訪時(shí)表示，公司由清華大學(xué)類腦計(jì)算研究中心孵化，將產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，對(duì)核心技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化，提供商業(yè)化的類腦計(jì)算服務(wù)。未來(lái)，天機(jī)芯將通過靈汐科技走向市場(chǎng)。

三年前的夏天，施路平在趙明國(guó)實(shí)驗(yàn)室提了兩個(gè)合作方案，通過智能自行車檢驗(yàn)天機(jī)芯只是其一，另一個(gè)難度更大，但更符合市場(chǎng)胃口，把成熟的天機(jī)芯應(yīng)用到趙明國(guó)的仿真機(jī)器人身上。不過，趙明國(guó)透露說，天機(jī)芯與機(jī)器人的結(jié)合還只是個(gè)設(shè)想，需要更多的研究與磨合，更何況，第二代天機(jī)芯也還在優(yōu)化，遠(yuǎn)未達(dá)到真正的智能。

類腦計(jì)算系統(tǒng)仍處于起步階段，尚未形成公認(rèn)的技術(shù)方案，天機(jī)芯提供了其中一種可能。據(jù)施路平團(tuán)隊(duì)介紹，第三代天機(jī)芯正在研發(fā)，能效將是第二代的100倍，有更大的商用價(jià)值，野外偵察、無(wú)人駕駛，或是更為具體的應(yīng)用場(chǎng)景?！?020年會(huì)出第三代，但具體應(yīng)用還不便透露。”斯坦利·威廉姆則強(qiáng)調(diào)說，“大腦處理信息的運(yùn)作原理對(duì)科學(xué)來(lái)說還是個(gè)謎，在我們接近一個(gè)令人滿意的答案之前，理解大腦如何工作還需要許多年?！?/p>

施路平說，盡管距離替代人類還很遙遠(yuǎn)，但借鑒人腦信息處理方式打破傳統(tǒng)架構(gòu)，創(chuàng)造出適用于實(shí)時(shí)處理非結(jié)構(gòu)化信息的超低功耗新型計(jì)算系統(tǒng)是未來(lái)的方向，也就是所謂的類腦計(jì)算。歐盟人腦計(jì)劃項(xiàng)目更為激進(jìn)地提出，“在未來(lái)二十到三十年內(nèi)，誰(shuí)要想主導(dǎo)世界經(jīng)濟(jì)，誰(shuí)就必須在這個(gè)領(lǐng)域領(lǐng)先。”