前言

近日，華為又因被美擴(kuò)大芯片供應(yīng)限制引發(fā)關(guān)注。鮮為人知的是，華為的全資子公司哈勃科技曾在2019年的時(shí)候，砸了48萬(wàn)，投資了一家專注于類腦智能芯片的AI公司。類腦智能被稱為AI未來(lái)高效發(fā)展的“潛力股”，能彌補(bǔ)AI對(duì)于現(xiàn)實(shí)世界的感知、情況評(píng)估和決策任務(wù)能力的缺陷。近年來(lái)AI在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用十分迅猛，如醫(yī)學(xué)影像診斷、智能機(jī)器人、藥物研發(fā)等，不知類腦智能芯片未來(lái)會(huì)成長(zhǎng)成什么樣？

?

一、什么是類腦智能？

類腦智能是受大腦神經(jīng)運(yùn)行機(jī)制和認(rèn)知行為機(jī)制啟發(fā)，以計(jì)算建模為手段，通過(guò)軟硬件協(xié)同實(shí)現(xiàn)的機(jī)器智能。類腦智能具備信息處理機(jī)制上類腦、認(rèn)知行為表現(xiàn)上類人、智能水平上達(dá)到或超越人的特點(diǎn)[1]。類腦智能發(fā)展有3個(gè)層面的目標(biāo)，分別是結(jié)構(gòu)層次模仿腦、器件層次逼近腦、功能層次超越腦。

1、結(jié)構(gòu)層次

主要研究基本單元（各類神經(jīng)元和神經(jīng)突觸等）的功能及其連接關(guān)系（網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)），通過(guò)神經(jīng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的分析探測(cè)技術(shù)完成。

?

2、器件層次

重點(diǎn)在于研制模擬神經(jīng)元和神經(jīng)突觸功能的微納光電器件，在有限物理空間和功耗條件下構(gòu)造出人腦規(guī)模的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，如研制神經(jīng)形態(tài)芯片、類腦計(jì)算機(jī)

?

3、功能層次

對(duì)類腦計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息刺激、訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，使其產(chǎn)生與人腦類似的智能甚至涌現(xiàn)自主意識(shí)，實(shí)現(xiàn)智能培育和進(jìn)化，學(xué)習(xí)、記憶、識(shí)別、會(huì)話、推理、決策以及更高智能。

二、類腦智能的發(fā)展方向

眾所周知，人腦是已知的最復(fù)雜，功能強(qiáng)大，高效，有效，靈活和智能的信息處理系統(tǒng)。因此，人腦的功能，其結(jié)構(gòu)組織和信息處理原理應(yīng)被用作設(shè)計(jì)人工智能系統(tǒng)的原型，而不僅僅是以黑匣子的方式模擬其行為。因此，類腦智能的發(fā)展方向大致可歸納為基礎(chǔ)研究、生物性能實(shí)現(xiàn)和生物系統(tǒng)結(jié)構(gòu)建模三個(gè)方面[2]。

1、基礎(chǔ)研究

類腦研究的基礎(chǔ)是研究神經(jīng)細(xì)胞作為腦基礎(chǔ)功能單元的物理化學(xué)原理和作為最小信息處理單元的數(shù)學(xué)原理。神經(jīng)細(xì)胞的數(shù)學(xué)模型、等效電路、模擬神經(jīng)網(wǎng)電路的研究就屬于這個(gè)范疇。

2、生物性能實(shí)現(xiàn)

當(dāng)暫時(shí)無(wú)法直接從基礎(chǔ)要素的研究中解析出基本原理時(shí)，模仿生物的某一項(xiàng)性能也是類腦智能的一個(gè)重要研究方向。例如在研究人腦中的視覺(jué)系統(tǒng)時(shí)，通過(guò)模擬人眼的運(yùn)動(dòng)控制神經(jīng)系統(tǒng)及各種眼球動(dòng)態(tài)響應(yīng)，從而獲得了一系列有效的機(jī)器視覺(jué)運(yùn)動(dòng)控制原理，可成功應(yīng)用于3D自動(dòng)拍攝系統(tǒng)、雙目相機(jī)在線校準(zhǔn)等產(chǎn)品之中。人工智能算法也是僅模擬了貓大腦視覺(jué)皮層通路中信息的分層處理機(jī)制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，構(gòu)建出卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，便已經(jīng)推動(dòng)了人工智能的巨大進(jìn)步。

3、生物系統(tǒng)結(jié)構(gòu)建模

為了實(shí)現(xiàn)類腦智能系統(tǒng)，首先要理解腦的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和各個(gè)腦器官的功能和特性，通過(guò)組合對(duì)應(yīng)各個(gè)腦器官基本功能的部件，搭建一套具有類似生物腦系統(tǒng)基本功能的“機(jī)器腦”，然后再逐漸改良和完善。仿生機(jī)器腦是研究自主智能系統(tǒng)的重要平臺(tái)，除智能外具備感知和操控功能，是人工智能系統(tǒng)獲得自主學(xué)習(xí)、智力演化等高級(jí)認(rèn)知能力的關(guān)鍵。

三、全球開(kāi)展“腦計(jì)劃”，搶占技術(shù)制高點(diǎn)

2018年8月，Gartner公司發(fā)布2018年新興技術(shù)成熟度曲線，公布了5大新興技術(shù)趨勢(shì)，其中類腦智能、神經(jīng)芯片硬件和腦機(jī)接口作為重要技術(shù)趨勢(shì)?，F(xiàn)在，全球主要發(fā)達(dá)地區(qū)的國(guó)家、研究機(jī)構(gòu)和科技企業(yè)都已紛紛進(jìn)入類腦智能的研究領(lǐng)域，并已投入相當(dāng)可觀的資金以供其蓬勃發(fā)展。

?

美國(guó)“使用先進(jìn)革新型神經(jīng)技術(shù)的人腦研究計(jì)劃”（BRAIN）旨在理解人類思想、動(dòng)機(jī)、情感的產(chǎn)生過(guò)程，帶動(dòng)新型疾病療法的開(kāi)發(fā)和高科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展；歐盟“人腦計(jì)劃”（HBP）依托信息通訊技術(shù)（ICT），把認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)和計(jì)算數(shù)字模擬結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)大腦系統(tǒng)的人工模擬，發(fā)展高性能計(jì)算機(jī)、醫(yī)學(xué)信息學(xué)、神經(jīng)形態(tài)工程、智能機(jī)器人等應(yīng)用產(chǎn)業(yè)；日本“使用神經(jīng)技術(shù)的腦科學(xué)疾病研究計(jì)劃”（Brain/MINDS）目標(biāo)為降低和消除神經(jīng)精神疾病的社會(huì)負(fù)擔(dān)[3]。

?

我國(guó)神經(jīng)科學(xué)和類腦人工智能發(fā)展規(guī)劃可分為7大領(lǐng)域，實(shí)施“3+2+2”領(lǐng)域模式，包括3大重點(diǎn)方向：基礎(chǔ)神經(jīng)生物學(xué)、神經(jīng)精神性疾病、類腦人工智能；2大支撐性領(lǐng)域：變革性神經(jīng)科學(xué)技術(shù)、支撐平臺(tái)；以及2大產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域：神經(jīng)生物醫(yī)藥及生物醫(yī)學(xué)工程、人工智能產(chǎn)業(yè)[4]。

?

中國(guó)腦計(jì)劃有著一些獨(dú)特的亮點(diǎn)：中國(guó)腦計(jì)劃把腦疾病和腦啟發(fā)的人工智能放在特別優(yōu)先的位置；中國(guó)的各種腦疾病人數(shù)是世界上最多的，這使得對(duì)于腦疾病的預(yù)防、早期診斷和早期干預(yù)的研究尤其緊迫，同時(shí)也為研究提供了最大的數(shù)據(jù)支撐；現(xiàn)在人們愈加發(fā)現(xiàn)要想理解人類的高等認(rèn)知功能（如思維和意識(shí)），以及腦疾?。ㄌ貏e是精神疾?。?，非人靈長(zhǎng)類可能是更合適的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型。中國(guó)有著豐富的獼猴資源，并且在用獼猴建立人類疾病模型的研究上快速發(fā)展。這使得中國(guó)在研究高級(jí)認(rèn)知功能，如共情、意識(shí)和語(yǔ)言，以及腦疾病的病理機(jī)制和干預(yù)手段方面，可能做出獨(dú)特的貢獻(xiàn)。

?

四、類腦智能的應(yīng)用技術(shù)

全球頂尖技術(shù)公司、大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)都相繼加入了類腦計(jì)算和類腦智能的布局。

?

1、微軟：OpenAI

2020年7月，微軟在OpenAI上投資10億美元用以開(kāi)發(fā)類腦智能的新技術(shù)，OpenAI將幫助其為Azure云計(jì)算服務(wù)聯(lián)合開(kāi)發(fā)和培訓(xùn)新的AI技術(shù)。它還將與之合作開(kāi)發(fā)新的超級(jí)計(jì)算硬件，以嘗試實(shí)現(xiàn)AGI，即具有像人類一樣學(xué)習(xí)任務(wù)的能力的機(jī)器[5]。

OpenAI可以利用微軟的超級(jí)計(jì)算和云計(jì)算技術(shù)來(lái)構(gòu)建人工智能（AGI）

2、新西蘭奧克蘭科技大學(xué)：NeuCube

?

新西蘭奧克蘭科技大學(xué)（AUT）的Nik Kasabov教授開(kāi)發(fā)了一個(gè)突破性的機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)NeuCube。NeuCube的框架和計(jì)算體系結(jié)構(gòu)能夠創(chuàng)建智能系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)和機(jī)器學(xué)習(xí)方法相比，該系統(tǒng)在以下方面顯示出了優(yōu)異的結(jié)果：1）更好的數(shù)據(jù)分析和分類/回歸準(zhǔn)確性（降低了10％到40％） ; 2）可能使用VR，更好地可視化創(chuàng)建的模型；3）更好地理解所測(cè)數(shù)據(jù)和過(guò)程；4）通過(guò)有意義的模型解釋實(shí)現(xiàn)新的信息和知識(shí)發(fā)現(xiàn)。目前，NeuCube已經(jīng)在全球25個(gè)實(shí)驗(yàn)室中使用，并與歐盟和中國(guó)開(kāi)展許多重大的國(guó)際AI項(xiàng)目，其中包括220萬(wàn)歐元的名為PANTHER的研究交換項(xiàng)目[6]。

? ? ? ?

用于時(shí)空腦數(shù)據(jù)（STBD）建模的NeuCube架構(gòu)

3、清華大學(xué)：天機(jī)芯

?

2019年8月，清華大學(xué)類腦計(jì)算研究中心施路平團(tuán)隊(duì)研發(fā)的第二代“天機(jī)芯”（Tianjic）登上了《自然》（Nature）封面。天機(jī)芯片是面向人工通用智能的世界首款異構(gòu)融合類腦計(jì)算芯片。其具有計(jì)算存儲(chǔ)融合和去中心化的眾核架構(gòu)，每塊芯片含有156個(gè)計(jì)算功能核，約合四萬(wàn)神經(jīng)元和千萬(wàn)突觸。它不僅能夠支持計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)向的機(jī)器學(xué)習(xí)算法和神經(jīng)科學(xué)導(dǎo)向的神經(jīng)形態(tài)計(jì)算模型的獨(dú)立部署，還能夠支持兩者的異構(gòu)建模，為發(fā)展人工通用智能提供了一個(gè)計(jì)算平臺(tái)[7]。?

?

天機(jī)芯片單片（左）和5x5陣列擴(kuò)展板（右）

?

研究人員在一輛無(wú)人駕駛自行車上驗(yàn)證了這一芯片的能力。搭載“天機(jī)芯”的自行車，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)視覺(jué)目標(biāo)探測(cè)、目標(biāo)追蹤、自動(dòng)過(guò)障和避障、自適應(yīng)姿態(tài)控制、語(yǔ)音理解控制、自主決策等功能。

? ? ? ?

自動(dòng)行駛自行車演示平臺(tái)

結(jié)語(yǔ)

作為人工智能的技術(shù)發(fā)展路徑之一，以認(rèn)知仿生驅(qū)動(dòng)的類腦智能是一個(gè)非常有前途的領(lǐng)域，具有巨大的潛力。但該領(lǐng)域目前仍處于起步階段，類腦智能的想要成為AI的主流應(yīng)用方向還有很長(zhǎng)的路要走。關(guān)于大腦功能的許多秘密還有待一一揭開(kāi)，機(jī)器算法和科學(xué)方法論的壁壘也必將因?yàn)轭惸X智能的快速發(fā)展而被逐一打破。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，工程師將必須與腦科學(xué)家和生命科學(xué)家攜手合作，并開(kāi)展緊密合作的研究。相信在大數(shù)據(jù)技術(shù)和新一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等基礎(chǔ)技術(shù)的支撐下，類腦智能應(yīng)用的研發(fā)將會(huì)推動(dòng)我國(guó)科技創(chuàng)新實(shí)力的發(fā)展。

?