近期，一款在操場(chǎng)上自動(dòng)駕駛的自行車風(fēng)靡了全球，它不僅可以識(shí)別語(yǔ)音指令，而且可以自如地躲避障礙物，還能跟隨主人跑步，而控制這輛自行車的芯片就是具有劃時(shí)代意義的“天機(jī)芯”，這款芯片由清華大學(xué)教授施路平帶隊(duì)歷時(shí)7年研究成功，被稱為全球首款異構(gòu)融合類腦芯片，這款芯片的成功實(shí)現(xiàn)了中國(guó)在芯片和人工智能兩大領(lǐng)域《自然》論壇零突破。
刊登在《自然》雜志上的文章《面向人工通用智能的異構(gòu)天機(jī)芯片架構(gòu)》提到，天機(jī)芯是一款新型人工智能芯片，結(jié)合了類腦計(jì)算和基于計(jì)算機(jī)科學(xué)的人工智能。天機(jī)芯在3．8×3．8 mm2的區(qū)域內(nèi)，差不多相當(dāng)于指甲蓋大小的芯片里，安裝了含大約40，000個(gè)神經(jīng)元和1000萬(wàn)個(gè)突觸。28nm芯片由156個(gè)統(tǒng)一功能核心（FCore）組成，還結(jié)合了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和生物網(wǎng)絡(luò)的基本構(gòu)建模塊－－軸突、突觸、樹(shù)突和體細(xì)胞塊。另外，天機(jī)芯有多個(gè)高度可重構(gòu)的功能性核，可以同時(shí)支持機(jī)器學(xué)習(xí)算法和現(xiàn)有類腦計(jì)算算法。
類腦芯片加快自動(dòng)駕駛的進(jìn)程
在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，業(yè)界專家認(rèn)為是5G技術(shù)是完全自動(dòng)駕駛技術(shù)的必要條件，因?yàn)樽詣?dòng)駕駛需要實(shí)時(shí)接收周邊的路況信息，才能確保車輛更安全地行駛，然而在今年4月特斯拉的“自動(dòng)駕駛?cè)铡鄙?，馬斯克發(fā)布了其完全自動(dòng)駕駛計(jì)算機(jī)芯片，并宣布將在一年后推出100萬(wàn)輛L5級(jí)自動(dòng)駕駛出租車。更讓大眾意外的是，馬斯克針對(duì)自動(dòng)駕駛的演講中對(duì)5G只字未提，難道5G不是自動(dòng)駕駛的必要條件嗎？
當(dāng)前，很多自動(dòng)駕駛汽車已經(jīng)在進(jìn)行路測(cè)，在5G還未商用的情況下他們?nèi)绾紊下?？因?yàn)槟壳按蠖鄶?shù)自動(dòng)駕駛公司都采用了單車智能的方式，即車輛對(duì)環(huán)境的感知和對(duì)行駛的決策都是通過(guò)車載的傳感器和計(jì)算處理單元來(lái)完成。其中自動(dòng)駕駛環(huán)境感知的技術(shù)路線主要有兩種：一種是以特斯拉為代表的視覺(jué)主導(dǎo)的多傳感器融合方案；另一種以激光雷達(dá)為主導(dǎo)，典型代表如谷歌Waymo、Uber、福特、通用等公司。就連“蔚來(lái)”無(wú)人駕駛的創(chuàng)始人李斌也認(rèn)為，“目前在自動(dòng)駕駛上5G和人工智能是比較重要的兩個(gè)支柱，可自動(dòng)駕駛不需要太過(guò)依賴5G。”
如果從單車智能的角度來(lái)看，天機(jī)芯既支持脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，又支持人工神經(jīng)網(wǎng)路，可以讓自動(dòng)駕駛汽車像人類司機(jī)一樣駕駛。從視頻中可以看出，搭載“天機(jī)芯”的無(wú)人駕駛自行車，可識(shí)別語(yǔ)音指令、自平衡控制、自動(dòng)避障。施路平教授團(tuán)隊(duì)介紹，天機(jī)芯可以同時(shí)處理多種算法和模型，實(shí)時(shí)目標(biāo)檢測(cè)跟蹤實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音控制、避障和平衡控制。
按照特斯拉宣布的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，特斯拉的完全自動(dòng)駕駛汽車在明年上路，如果將天機(jī)芯應(yīng)用于自動(dòng)駕駛汽車中，國(guó)產(chǎn)自動(dòng)駕駛汽車的發(fā)展也有望快進(jìn)一步。
和特斯拉的完全自動(dòng)駕駛計(jì)算機(jī)芯片“異曲同工”
都說(shuō)“英雄所見(jiàn)略同”，筆者發(fā)現(xiàn)天機(jī)芯和特斯拉的完全自動(dòng)駕駛計(jì)算機(jī)芯片有著異曲同工的著力點(diǎn)，當(dāng)然天機(jī)芯的應(yīng)用范圍不只是自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，還可以擴(kuò)展到其它應(yīng)用領(lǐng)域。
從馬斯克與硬件工程副總裁皮特·班農(nóng)（Pete Bannon）的介紹特斯拉自行研發(fā)自動(dòng)駕駛芯片的原因來(lái)看，是因?yàn)槭忻嫔蠜](méi)有一個(gè)專門為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的芯片，于是特斯拉決定自己動(dòng)手設(shè)計(jì)一個(gè)，并且針對(duì)性地開(kāi)發(fā)軟件系統(tǒng)。值得一提的是，Bannon此前在蘋果工作8年，開(kāi)發(fā)了A5－A9電腦芯片，是馬斯克眼中“最佳芯片架構(gòu)師”。
馬斯克介紹，特斯拉自行研發(fā)的自動(dòng)駕駛芯片相比此前英偉達(dá)的產(chǎn)品性能提高了2000％，能夠處理更多數(shù)據(jù)并更快做出決策。為了增加安全冗余，特斯拉使用的全新FSD芯片擁有獨(dú)立的芯片系統(tǒng)架構(gòu)，每個(gè)SoC都有兩個(gè)NN加速器，可以同時(shí)執(zhí)行健康檢查計(jì)算以防軟件運(yùn)行錯(cuò)誤。
由此可見(jiàn)， 天機(jī)芯和特斯拉都強(qiáng)調(diào)了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，特斯拉是專門搭建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，天機(jī)芯的研發(fā)主旨就是圍繞“人工通用智能”進(jìn)行了異構(gòu)，《自然》報(bào)道認(rèn)為，發(fā)展人工通用智能主要有兩個(gè)主要方向：一種基于神經(jīng)科學(xué)，試圖構(gòu)建與大腦極為相似的回路；另一種是基于計(jì)算機(jī)科學(xué)，讓計(jì)算機(jī)運(yùn)行機(jī)器學(xué)習(xí)算法，而天機(jī)芯將兩種方法集成到一個(gè)融合平臺(tái)。
2015年，第一代天機(jī)芯問(wèn)世。第一代芯片的體積約為110納米，只是個(gè)DEMO（小樣）；2017年，施路平團(tuán)隊(duì)研發(fā)了第二代“天機(jī)芯”芯片，第二代芯片具有高速度、高性能、低功耗的特點(diǎn)，體積縮小至28納米。相比于當(dāng)前世界先進(jìn)的IBM的TrueNorth芯片密度提升20％，速度提高至少10倍，帶寬提高至少100倍。
多學(xué)科交叉融合的“結(jié)晶”
近幾年來(lái)，伴隨大數(shù)據(jù)的發(fā)展，人工智能也在飛快發(fā)展，人臉識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別、圖像識(shí)別等一系列AI技術(shù)已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域開(kāi)始發(fā)揮作用。但是真正的人工智能絕不能只運(yùn)行經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的人臉識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別和圖像識(shí)別模型，還需要讓單個(gè)物體具有類似人腦的思考能力，但是并不是單純的仿人腦。
施路平團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，仿人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(jì)算功能。類腦是借鑒腦科學(xué)的基本原理，凝練出一些指導(dǎo)計(jì)算架構(gòu)發(fā)展的新規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，施路平團(tuán)隊(duì)提出了符合腦科學(xué)基本規(guī)律的新型類腦計(jì)算架構(gòu)——異構(gòu)融合的天機(jī)類腦計(jì)算芯片架構(gòu)，可同時(shí)運(yùn)行計(jì)算機(jī)科學(xué)和神經(jīng)科學(xué)導(dǎo)向的絕大多數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。
可以看出，天機(jī)芯是多學(xué)科融合的結(jié)晶，類腦芯片的研究融合了信息科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、材料科學(xué)等學(xué)科，施路平認(rèn)為，“發(fā)展類腦計(jì)算芯片是個(gè)世界性難題。它真正的挑戰(zhàn)不是科學(xué)，也不是技術(shù)，而是多學(xué)科融合?！贝舜伟l(fā)布在《自然》雜志上的論文共同作者來(lái)自6個(gè)院系，其中共同第一作者就來(lái)自精儀、生物工程、自動(dòng)化和計(jì)算機(jī)4個(gè)系.