芯東西9月2日消息，我國類腦計算技術(shù)發(fā)展迎來新里程碑：億級神經(jīng)元類腦計算機重大成果于9月1日在杭州正式發(fā)布。
3臺1.6米高的標準服務(wù)器機柜并排而立，紅色的信號燈連續(xù)閃爍，這臺名為Darwin Mouse的類腦計算機，由浙江大學(xué)聯(lián)合之江實驗室共同研制成功。
▲Darwin Mouse類腦計算機
這是我國第一臺基于自主知識產(chǎn)權(quán)類腦芯片的類腦計算機，也是目前國際上神經(jīng)元規(guī)模最大的類腦計算機。
據(jù)悉，Darwin Mouse包含792顆浙江大學(xué)研制的達爾文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)，典型運行功耗只需要350-500瓦。
類腦計算機通過模擬人腦結(jié)構(gòu)與運算機制，突破傳統(tǒng)計算架構(gòu)存在的瓶頸，被視作解決人工智能（AI）等計算難題的重要路徑之一。
▲研究團隊合影
該億級神經(jīng)元類腦計算機是浙江大學(xué)“雙腦計劃”的重要成果。
近年來，浙江大學(xué)聚焦人類智能與機器智能等核心領(lǐng)域，實施了簡稱為“雙腦計劃”的腦科學(xué)與人工智能會聚研究計劃，希望借鑒大腦結(jié)構(gòu)模型和功能機制，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)未來的新型計算機體系架構(gòu)。
除打造類腦計算機外，該研究團隊還研制了專門面向類腦計算機的操作系統(tǒng)——達爾文類腦操作系統(tǒng)（DarwinOS），實現(xiàn)對類腦計算機硬件資源的有效管理與調(diào)度，支撐類腦計算機的運行與應(yīng)用。
目前，該類腦計算機已運行多種智能任務(wù)，包括多機器人協(xié)同抗洪搶險、聽歌識曲、意念打字等。
01
模擬生物大腦，顛覆傳統(tǒng)計算架構(gòu)
現(xiàn)有計算機大多基于馮·諾依曼架構(gòu)，數(shù)據(jù)存儲與計算分離，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)在存儲與計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)代計算機系統(tǒng)性能提高的關(guān)鍵阻礙。
在研究團隊負責(zé)人、浙江大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授潘綱看來，這種計算模式制約了以大數(shù)據(jù)為代表的計算性能提升。
潘綱認為，數(shù)據(jù)驅(qū)動的智能算法、訓(xùn)練需要海量樣本與密集計算，但舉一反三、自我學(xué)習(xí)等高級能力比較差，“現(xiàn)在的機器智能離人的智能差得還很遠?！?/p>
如何突破傳統(tǒng)計算架構(gòu)存在的存儲墻、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單模型可笑，讓精致的模型無用?！?/p>
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、嗅覺識別、視覺識別等各種智能行為，同時消耗的能量非常低。
即便是大腦神經(jīng)元遠低于100萬的昆蟲，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)和運作機制的新型計算模式，被稱為類腦計算。
▲類腦計算機應(yīng)用演示：嗅覺識別
類腦計算的特點在于存算一體、事件驅(qū)動、高度并行等，模擬生物的神經(jīng)元行為，通過脈沖傳遞信號，能實現(xiàn)高度并行，相較傳統(tǒng)計算機效率更高、能耗更低。
此前，浙江大學(xué)在2015年和2019年分別研制成功達爾文1代和達爾文2代類腦計算芯片，用芯片去模擬大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)與功能機制，能以高效能低功耗處理圖像、視頻、自然語言相關(guān)任務(wù)。
此次發(fā)布的重大成果，即是將792顆達爾文2代類腦計算芯片集成于3臺1.6米高的標準服務(wù)器機箱中，形成一臺強大的機架式類腦計算機。
02
搭配類腦操作系統(tǒng)，已實現(xiàn)多機器人協(xié)同、聽歌識曲和意念打字
據(jù)項目研究骨干金孝飛介紹，每顆芯片上有15萬個神經(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模塊。
▲Darwin Mouse類腦計算機
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)動組合和信息流分配，還需要軟件的助力。
為此，研究團隊還研發(fā)了一個專門面向類腦計算機的類腦操作系統(tǒng)——達爾文類腦操作系統(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)的混合計算架構(gòu)，實現(xiàn)了對異構(gòu)計算資源的統(tǒng)一調(diào)度和管理，為大規(guī)模脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算任務(wù)提供運行和服務(wù)平臺。
金孝飛說：“目前達爾文類腦操作系統(tǒng)的功能任務(wù)切換時間達微秒級，可支持億級類腦硬件資源管理?！?/p>
在此基礎(chǔ)上，類腦計算機既能應(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)與之江實驗室的科研人員基于Darwin Mouse類腦計算機已經(jīng)實現(xiàn)多種智能任務(wù)。
比如，以類腦計算機為智能中樞，實現(xiàn)抗洪搶險場景下多個機器人的協(xié)同工作。該任務(wù)涉及到語音識別、目標檢測、路徑規(guī)劃等多項智能任務(wù)的同時處理，以及機器人間的協(xié)同。
▲類腦計算機應(yīng)用演示：多機器人協(xié)同抗洪搶險
3臺外形相似的機器人，分別承擔(dān)巡邏、搶險、營救任務(wù)，在經(jīng)過簡單訓(xùn)練后，合作展開抗洪救險任務(wù)。
1號機器人巡邏發(fā)現(xiàn)堤壩缺口后，會呼叫3號機器人來修壩，同時搜尋受傷人員，當(dāng)發(fā)現(xiàn)傷員，會呼叫2號機器人來救援，然后1號再到其他地方繼續(xù)巡邏。
這些機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號機器人指配各種不同的任務(wù)。
另一個實驗是是“聽歌識曲”，課題組成員唱一首歌的其中兩句，然后計算機通過回想將后續(xù)的歌曲內(nèi)容“唱”出來。
據(jù)項目研究骨干唐華錦教授介紹，這是類腦計算機通過模擬海馬體記憶機制，實現(xiàn)對大腦內(nèi)部記憶信息的存取，與我們常用的檢索功能不同。
Darwin Mouse類腦計算機通過借鑒海馬體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及神經(jīng)機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)與記憶語音、歌曲、文本等不同類型數(shù)據(jù)。
借助類腦計算機，研究人員還實現(xiàn)了腦電信號的穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位實時解碼，可“意念”打字輸入。
03
結(jié)語：類腦計算將成為未來計算的重要平臺
當(dāng)前，類腦計算研究仍處于初級階段，與真正的人類大腦還相差甚遠。
浙江大學(xué)和之江實驗室研究員的目標是，希望隨著神經(jīng)科學(xué)發(fā)展和類腦計算機的系統(tǒng)軟件、工具鏈及算法的成熟，有朝一日能夠讓類腦計算機像馮·諾依曼架構(gòu)計算機一樣通用化，真正像大腦一樣高效工作，與馮·諾依曼架構(gòu)并存與互補，去解決不同的問題。
之江實驗室朱世強透露，研究團隊下一步將繼續(xù)研發(fā)支撐更大神經(jīng)元規(guī)模的類腦計算機軟硬件技術(shù)體系，并逐步實現(xiàn)開源開放。
浙江大學(xué)校長吳朝暉院士表示，類腦計算機將成為未來計算的主要形態(tài)和重要平臺，將在模擬腦功能、高效實現(xiàn)AI算法、提升計算能力等方面發(fā)揮重要的獨特作用。
面向未來，學(xué)科交叉會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算機的有效形式。