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(lái)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(lái),，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(lái)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(lái)越明顯。

　　數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)與計(jì)算單元間傳輸所帶來(lái)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(lái),，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)?！?/p>

　　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(shuō)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(wú)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(lái)成為一個(gè)模塊,。

　　▲Darwin Mouse類腦計(jì)算機(jī)

　　說(shuō)起來(lái)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(shuō)：“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>

　　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(lái)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(lái)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(lái)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(lái),。

　　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(lái)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(lái)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(lái)，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。