1.6米高的三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜并排而立，黑色的外殼給人酷酷的感覺，紅色的信號(hào)燈不停地閃爍，靠得近些似乎能聽到里面脈沖信號(hào)飛速奔跑的聲音。

近日，浙江大學(xué)聯(lián)合之江實(shí)驗(yàn)室共同研制成功了我國首臺(tái)基于自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)類腦芯片的類腦計(jì)算機(jī)（Darwin Mouse）。

這臺(tái)類腦計(jì)算機(jī)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，與小鼠大腦神經(jīng)元數(shù)量規(guī)模相當(dāng)，典型運(yùn)行功耗只需要350-500瓦，同時(shí)它也是目前國際上神經(jīng)元規(guī)模最大的類腦計(jì)算機(jī)。

與此同時(shí)，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。

顛覆傳統(tǒng)的新型計(jì)算模式

對(duì)于如今在工作生活各個(gè)領(lǐng)域中早已司空見慣的計(jì)算機(jī)，或許大家已經(jīng)忘了最初科學(xué)家是想通過機(jī)器模擬出一個(gè)人類大腦。

然而計(jì)算機(jī)的發(fā)展，在當(dāng)時(shí)選擇了以數(shù)值計(jì)算見長(zhǎng)的馮·諾依曼架構(gòu)，也就是以數(shù)字加減乘除的方式來進(jìn)行信息架構(gòu)。隨著摩爾定理逐漸失效，馮·諾依曼架構(gòu)帶來的局限日益明顯，存儲(chǔ)墻、功耗墻、智能提升等問題，讓當(dāng)前計(jì)算機(jī)發(fā)展面臨重大挑戰(zhàn)。

比如，存儲(chǔ)墻問題是由于現(xiàn)有的馮·諾依曼架構(gòu)中數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和計(jì)算的分離產(chǎn)生的，“這就好比信息存儲(chǔ)在甲地，要計(jì)算的時(shí)候就把信息搬到乙地去，計(jì)算好了再搬回甲地去。但搬運(yùn)的速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于計(jì)算的速度，反而讓搬運(yùn)本身成為關(guān)鍵瓶頸。”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)院教授潘綱說，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。而由此帶來的數(shù)據(jù)“跑動(dòng)”，以及人工智能等高耗能計(jì)算又讓功耗墻問題冒了出來。同時(shí)，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)?！?/p>

如何突破現(xiàn)有計(jì)算運(yùn)行方式導(dǎo)致的計(jì)算機(jī)瓶頸？

全球科學(xué)家們?cè)俅螌⒛抗饷闇?zhǔn)到模仿生物大腦這個(gè)最初的夢(mèng)想，通過模擬人腦結(jié)構(gòu)與運(yùn)算機(jī)制來發(fā)展新的計(jì)算技術(shù)，以期實(shí)現(xiàn)高能效與高智能水平的計(jì)算。

生物大腦在與環(huán)境相互作用過程中能夠自然產(chǎn)生不同的智能行為，包括語音理解、視覺識(shí)別、決策任務(wù)、操作控制等，而且消耗的能量非常低。自然界中，很多神經(jīng)元遠(yuǎn)低于100萬的昆蟲就能做到實(shí)時(shí)目標(biāo)跟蹤、路徑規(guī)劃、導(dǎo)航和障礙物躲避。

潘綱介紹說，用硬件及軟件模擬大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)與運(yùn)行機(jī)制，構(gòu)造一種全新的人工智能系統(tǒng)，這種顛覆傳統(tǒng)計(jì)算架構(gòu)的新型計(jì)算模式，就是類腦計(jì)算。其特點(diǎn)在于存算一體、事件驅(qū)動(dòng)、高度并行等，是國際學(xué)術(shù)界與工業(yè)界的研究焦點(diǎn)，更是重要的科技戰(zhàn)略，“類腦計(jì)算已被看作是解決人工智能等計(jì)算難題的重要路徑之一。”

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，希望借鑒腦的結(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)體系結(jié)構(gòu)。

2015年和2019年浙江大學(xué)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，在圖像、視頻、自然語言的模糊處理中具有優(yōu)勢(shì)。而這次的成果是將792顆我國自主產(chǎn)權(quán)的達(dá)爾文2代類腦計(jì)算芯片集成在3臺(tái)1.6米高的標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器機(jī)箱中，形成了一臺(tái)強(qiáng)大的機(jī)架式類腦計(jì)算機(jī)。

那么，這種高效能低功耗是如何實(shí)現(xiàn)的呢？項(xiàng)目研究骨干馬德副教授說，大腦神經(jīng)元的工作機(jī)理是鉀離子鈉離子的流入流出導(dǎo)致細(xì)胞膜電壓變化，從而傳遞信息，“可以簡(jiǎn)單理解為，一個(gè)神經(jīng)元接受輸入脈沖，導(dǎo)致細(xì)胞體的膜電壓升高，當(dāng)膜電壓達(dá)到特定閾值時(shí)，會(huì)發(fā)出一個(gè)輸出脈沖到軸突，并通過突觸傳遞到后續(xù)神經(jīng)元從而改變其膜電壓，實(shí)現(xiàn)信息的傳遞?！?/p>

這里很重要的一點(diǎn)是異步運(yùn)行，也就是信號(hào)來的時(shí)候啟動(dòng)，沒有信號(hào)就不運(yùn)行。類腦芯片的工作原理就類似于生物的神經(jīng)元行為，通過脈沖傳遞信號(hào)，這樣就能實(shí)現(xiàn)高度并行，效率提升。

真正像腦一樣“思考”

有了硬件，還得有軟件。

項(xiàng)目研究骨干金孝飛介紹，每顆芯片上有15萬個(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。這臺(tái)類腦計(jì)算機(jī)就是這樣像搭積木一樣搭起來。

說起來容易，可要讓這么多神經(jīng)元能夠互聯(lián)并且可拓展從而實(shí)現(xiàn)高效的聯(lián)動(dòng)組合，同時(shí)要把雜亂無章的信息流有序分配到對(duì)應(yīng)的功能腦區(qū)，可不那么簡(jiǎn)單。

為此，科研人員專門研發(fā)了一個(gè)面向類腦計(jì)算機(jī)的類腦操作系統(tǒng)——DarwinOS。

這款達(dá)爾文類腦操作系統(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)。項(xiàng)目研究骨干呂攀介紹說：“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?！?/p>

由此，類腦計(jì)算機(jī)研究的價(jià)值真正得以實(shí)現(xiàn)——既可以應(yīng)用于生活中的智能任務(wù)處理，也可以應(yīng)用于神經(jīng)科學(xué)研究，為神經(jīng)科學(xué)家提供更快更大規(guī)模的仿真工具，提供探索大腦工作機(jī)理的新實(shí)驗(yàn)手段。

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)了多種智能任務(wù)。研究者將類腦計(jì)算機(jī)作為智能中樞，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，涉及到語音識(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。同時(shí)，還用類腦計(jì)算機(jī)模擬了多個(gè)不同腦區(qū)，建立了丘腦外側(cè)膝狀核的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，仿真了不同頻率閃動(dòng)的視覺刺激時(shí)該腦區(qū)神經(jīng)元的周期性反應(yīng)；借鑒海馬體神經(jīng)環(huán)路結(jié)構(gòu)和神經(jīng)機(jī)制構(gòu)建了學(xué)習(xí)-記憶融合模型，實(shí)現(xiàn)音樂、詩詞、謎語等的時(shí)序記憶功能；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。

記者在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)看到，3臺(tái)外形相似的機(jī)器人，在經(jīng)過簡(jiǎn)單的訓(xùn)練后，合作開展抗洪救險(xiǎn)任務(wù)。只見1號(hào)機(jī)器人憑借自帶攝像頭開始在場(chǎng)地巡邏，當(dāng)發(fā)現(xiàn)堤壩缺口后，就呼叫負(fù)責(zé)工程的3號(hào)機(jī)器人前來修壩，同時(shí)搜尋受傷人員，當(dāng)發(fā)現(xiàn)倒在地上的人體模型后，又呼叫負(fù)責(zé)救援的2號(hào)機(jī)器人。3號(hào)機(jī)器人和2號(hào)機(jī)器人趕來執(zhí)行任務(wù)，1號(hào)機(jī)器人又去別的地方巡邏了。

這一幕似乎并不新鮮，現(xiàn)有的機(jī)器人也能做到。但最大的不同在于這幾個(gè)機(jī)器人是在類腦計(jì)算機(jī)的控制下通過語音開展移動(dòng)指令，并接受任務(wù)分配?！安煌瑱C(jī)器人的任務(wù)可以通過指令切換，也就是說它們的功能并不是固定的，而是通過不同腦區(qū)來操控的，1號(hào)機(jī)器人現(xiàn)在干巡邏的活，過會(huì)又可以變成負(fù)責(zé)救援或者工程。”項(xiàng)目研究骨干李瑩副教授說。

在另一個(gè)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中，課題組成員給計(jì)算機(jī)演唱一首歌其中的兩句，然后，計(jì)算機(jī)就能通過回想把后續(xù)的歌曲內(nèi)容“唱”出來。

“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。”項(xiàng)目研究骨干唐華錦教授說，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)與記憶語音、歌曲、文本等不同類型數(shù)據(jù)。

類腦計(jì)算機(jī)將如何“進(jìn)化”

1946年誕生的世界第一臺(tái)計(jì)算機(jī)重達(dá)28噸，運(yùn)算速度為每秒5000次的加法運(yùn)算，然而在以后的70多年里，計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展。類腦計(jì)算機(jī)的發(fā)展速度很有可能也會(huì)令人驚訝。

別看現(xiàn)在的類腦計(jì)算機(jī)是個(gè)“大塊頭”，科學(xué)家們表示，隨著達(dá)爾文芯片及其他硬件的不斷迭代升級(jí)，體積縮小將指日可待。未來類腦計(jì)算機(jī)或?qū)⒅踩胧謾C(jī)、機(jī)器人，產(chǎn)生新的智能服務(wù)體驗(yàn)。

與硬件上的更新相比，如何讓類腦計(jì)算機(jī)變得更聰明是科學(xué)家們下一步研究的重點(diǎn)。

目前，市面上的傳感器輸入的信號(hào)還是以數(shù)字為主，在應(yīng)用到Darwin Mouse類腦計(jì)算機(jī)上，要加一個(gè)編碼層，將信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖式的，而在這個(gè)過程中，信息有丟失和損傷，會(huì)在一定程度上降低計(jì)算機(jī)的功效。如果能解決這個(gè)問題，類腦計(jì)算機(jī)就能變得更加智能。

當(dāng)前，類腦計(jì)算研究還處于初級(jí)階段，Darwin Mouse類腦計(jì)算機(jī)，無論從規(guī)模還是智能化程度上都與真正的人類大腦還有很大的差距，但其意義在于能夠?yàn)檫@種技術(shù)路徑提供一個(gè)重要的實(shí)踐樣例，為研究人員提供一個(gè)工具和平臺(tái)，驗(yàn)證類腦算法，以更強(qiáng)的魯棒性、實(shí)時(shí)性和智能化去解決實(shí)際的任務(wù)。

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。

一位業(yè)內(nèi)人士表示，從加減乘除這樣的數(shù)值計(jì)算方式，到模擬大腦的脈沖計(jì)算方式，這是一次重要的計(jì)算模式的變革。潘綱說：“我們希望能夠像生物進(jìn)化一樣，不斷地讓達(dá)爾文系列類腦計(jì)算機(jī)朝著人類智能的方向發(fā)展，以超低功耗提供更強(qiáng)的人工智能?！?/p>

（文 柯溢能 吳雅蘭/攝影 盧紹慶）