“只要大腦的奧秘尚未大白于天下，宇宙將仍是個(gè)謎。”
——Santiago Ramón y Cajal（1906年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲得者）
近百年來(lái)，圍繞著腦科學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)頒發(fā)了近20項(xiàng)諾貝爾獎(jiǎng)，但人類(lèi)至今仍然難以準(zhǔn)確說(shuō)出究竟大腦還有多少未解之謎等待著去征服。對(duì)大腦結(jié)構(gòu)和功能的探索，已經(jīng)成為當(dāng)下最具挑戰(zhàn)性也是最有意義的前沿科學(xué)難題。
說(shuō)其最有意義，是因?yàn)榇竽X的解密已經(jīng)與我們每個(gè)人的生活息息相關(guān)。一方面，許多因?yàn)榇竽X而引起的如老年性癡呆、抑郁、自閉癥等疾病目前仍無(wú)較好的治療方案，甚至還不能對(duì)病理有清晰、準(zhǔn)確的掌握；另一方面，如人工智能、腦機(jī)接口等正在改善人類(lèi)生活的科學(xué)研究，其發(fā)展路徑也高度依賴(lài)于對(duì)人腦秘密的探索程度。
正是基于以上原因，自進(jìn)入二十一世紀(jì)以來(lái)，世界發(fā)達(dá)國(guó)家如日本、美國(guó)和歐盟等紛紛開(kāi)啟了“腦計(jì)劃”，投入大量資金、人力，以求能快速解開(kāi)大腦的秘密。腦科學(xué)與腦認(rèn)知，已經(jīng)被多國(guó)視為人類(lèi)最后的科學(xué)尖端，是科研領(lǐng)域“皇冠上的明珠”。
如今，“中國(guó)腦計(jì)劃”的啟動(dòng)，使中國(guó)成為繼美國(guó)、歐盟和日本之后，第四個(gè)推出腦科學(xué)研究計(jì)劃的國(guó)家。中國(guó)腦計(jì)劃提出“一體兩翼”的發(fā)展策略，“以腦認(rèn)知原理為主體，以類(lèi)腦計(jì)算與腦機(jī)智能、腦重大疾病診治為兩翼，搭建關(guān)鍵技術(shù)平臺(tái)，搶占腦科學(xué)前沿研究制高點(diǎn)”——這在《“十三五”國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃》中被明確提到。
在這“一體兩翼”中，類(lèi)腦計(jì)算正在成為近年來(lái)在國(guó)際與國(guó)內(nèi)都非常火熱的一個(gè)研究方向。通俗得說(shuō)，類(lèi)腦計(jì)算指的是：通過(guò)借鑒于人腦的基本原理，來(lái)改進(jìn)、升級(jí)甚至變革我們傳統(tǒng)的計(jì)算模式。對(duì)于中國(guó)“腦計(jì)劃”的發(fā)展與突破，類(lèi)腦計(jì)算正在發(fā)揮著“尖兵”的作用。
那么，類(lèi)腦計(jì)算將對(duì)哪些細(xì)分領(lǐng)域起到重要作用？如何實(shí)現(xiàn)類(lèi)腦計(jì)算的落地與應(yīng)用？中國(guó)目前有哪些領(lǐng)先于世界的相關(guān)技術(shù)？
帶著這些問(wèn)題，鎂客網(wǎng)專(zhuān)訪了中國(guó)智慧城市產(chǎn)業(yè)與技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟理事、北京科委&中關(guān)村管委會(huì)技術(shù)專(zhuān)家、北京靈汐科技有限公司CMO華寶洪，與其進(jìn)行了深入的交流。
圖|北京靈汐科技有限公司CMO華寶洪
“小試牛刀”的類(lèi)腦計(jì)算，后摩爾時(shí)代的破題之道
鎂客網(wǎng)注意到，今年5月14日，國(guó)家科技體制改革和創(chuàng)新體系建設(shè)領(lǐng)導(dǎo)小組第十八次會(huì)議在京召開(kāi)，本次會(huì)議不僅由國(guó)務(wù)院副總理劉鶴主持會(huì)議并講話，還專(zhuān)題討論了面向后摩爾時(shí)代的集成電路潛在顛覆性技術(shù)。這說(shuō)明，對(duì)于即將到來(lái)的后摩爾時(shí)代所要面臨的新挑戰(zhàn)，已經(jīng)成為了國(guó)家重點(diǎn)關(guān)心的方向。
那么，什么是面向后摩爾時(shí)代的集成電路潛在顛覆性技術(shù)？會(huì)議并沒(méi)有對(duì)外完全透露。但華寶洪告訴記者，和學(xué)界的不少觀點(diǎn)一樣，“類(lèi)腦計(jì)算”應(yīng)該就是會(huì)議中所提到的潛在戰(zhàn)略性與顛覆性技術(shù)之一。
所謂摩爾定律，即“在價(jià)格不變的情況下，每18-24個(gè)月，集成電路可容納的晶體管數(shù)翻一倍，性能提升一倍”。而隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷突破，受制于芯片內(nèi)部信號(hào)的有效傳遞已經(jīng)接近物理尺度的極限，目前想要在5nm以下再提升工藝水平已經(jīng)是極為尖端的技術(shù)難題，而成本、市場(chǎng)與需求之間的平衡，也極大可能難以為繼。
這也就意味著，算力的發(fā)展將遇到較大的瓶頸，而與之相關(guān)度較高的如人工智能等產(chǎn)業(yè)，即將迎來(lái)潛在的沖擊。
以人工智能舉例，在第三次發(fā)展浪潮后，傳統(tǒng)意義上的“三駕馬車(chē)”——算法、算力、大數(shù)據(jù)，為人工智能這幾年如火如荼的發(fā)展插上了翅膀。但后摩爾時(shí)代的計(jì)算技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)，給人工智能未來(lái)的發(fā)展蒙上了一層陰影。
華寶洪表示，對(duì)于人工智能等高度依賴(lài)芯片能力的產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)意義上的單純依靠堆大數(shù)據(jù)、高算力或?qū)⒊蔀檫^(guò)去式，要想有新的突破，就必須有新的思路。
“以自動(dòng)駕駛這一細(xì)分領(lǐng)域舉例，現(xiàn)在市面上各家都在提升算力、算法，不斷用大量的圖像數(shù)據(jù)來(lái)訓(xùn)練模型，但依然還是面臨著無(wú)法突破的瓶頸。人工智能發(fā)展的“三駕馬車(chē)”，現(xiàn)在已經(jīng)面臨發(fā)展瓶頸，要解決后摩爾時(shí)代的挑戰(zhàn)，我認(rèn)為還是要看類(lèi)腦計(jì)算”。
目前學(xué)界的不少觀點(diǎn)也認(rèn)為，傳統(tǒng)的“三駕馬車(chē)”+馮諾依曼架構(gòu)硬件所支撐的人工智能之路，正在越走越窄。清華大學(xué)類(lèi)腦計(jì)算研究中心主任施路平教授曾表示，“基于碳基已經(jīng)發(fā)展出現(xiàn)有的人類(lèi)通用智能，基于硅芯片已經(jīng)發(fā)展出強(qiáng)大的機(jī)器智能，借鑒腦科學(xué)的基本原理發(fā)展類(lèi)腦計(jì)算，支撐人工通用智能發(fā)展，是完全有可能的。”
圖|清華大學(xué)類(lèi)腦計(jì)算研究中心主任施路平教授
由此看來(lái)，類(lèi)腦計(jì)算將有可能成為一把突破傳統(tǒng)AI計(jì)算瓶頸、打開(kāi)通用人工智能大門(mén)的鑰匙，從而也就破解了后摩爾時(shí)代所帶來(lái)的新挑戰(zhàn)。不僅如此，華寶洪認(rèn)為，對(duì)后摩爾時(shí)代人工智能方向的支持，只能算是類(lèi)腦計(jì)算的“小試牛刀”，其“用武之地”實(shí)際上更為寬廣。
腦仿真和腦科學(xué)研究，是類(lèi)腦計(jì)算更大的“用武之地”
“目前大多數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家腦計(jì)劃的目的，并不僅單純?yōu)榱巳ソ鉀Q人工智能的問(wèn)題，而且也在關(guān)注和探索：如何去解決人類(lèi)腦健康（包括精神疾病、腦疾病等領(lǐng)域）所面臨的困難。”華寶洪這樣告訴記者。
鎂客網(wǎng)注意到，屢屢在各國(guó)“腦計(jì)劃”中提到的類(lèi)腦計(jì)算，首要是解決腦科學(xué)、腦認(rèn)知方面的問(wèn)題；其次是解決類(lèi)腦智能計(jì)算的問(wèn)題；而后才涉及到人工智能、腦機(jī)接口等前沿技術(shù)的支撐助力?？梢哉f(shuō)，類(lèi)腦計(jì)算這把“牛刀”還是為了加速助力解開(kāi)大腦的秘密。
華寶洪對(duì)記者表示，過(guò)往的對(duì)腦科學(xué)領(lǐng)域的研究，經(jīng)常會(huì)使用到一些小白鼠、猴子等動(dòng)物進(jìn)行實(shí)體實(shí)驗(yàn)，單純的走醫(yī)學(xué)途徑去了解大腦中的神經(jīng)元、神經(jīng)脈沖等功能結(jié)構(gòu)和信息傳遞機(jī)制等。盡管結(jié)果直觀，但也存在著不少弊端：倫理層面上，世界范圍內(nèi)都在呼吁珍愛(ài)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物；技術(shù)層面上，由于動(dòng)物個(gè)體的差異性等因素，存在著實(shí)驗(yàn)成本高、結(jié)果難復(fù)現(xiàn)等問(wèn)題。
正是在這種情況下，類(lèi)腦計(jì)算有了發(fā)揮空間。
“現(xiàn)在我們提供了另外一種手段，通過(guò)利用類(lèi)腦計(jì)算芯片搭建大規(guī)模的腦仿真平臺(tái)，可以支持促進(jìn)對(duì)生物腦動(dòng)力學(xué)模擬等領(lǐng)域的研究。借助由類(lèi)腦計(jì)算芯片構(gòu)建的類(lèi)腦服務(wù)器以及類(lèi)腦計(jì)算集群，不遠(yuǎn)的未來(lái)我們將可以模擬十億、百億甚至千億級(jí)神經(jīng)元規(guī)模的生物腦網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)。”
而通過(guò)類(lèi)腦計(jì)算所實(shí)現(xiàn)的大規(guī)模腦仿真，可以大大降低腦科學(xué)領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)的成本，提升大規(guī)模生物腦仿真的速度，同時(shí)其可復(fù)現(xiàn)性的特點(diǎn)也足以保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的客觀準(zhǔn)確性。
有了大規(guī)模腦仿真，未來(lái)一些讓人類(lèi)“頭疼”的問(wèn)題就有望更快地得到解決。例如帕金森、抑郁等腦疾病的病理的探究、相關(guān)藥物的治療效果試驗(yàn)，都有可能通過(guò)腦仿真平臺(tái)去進(jìn)行測(cè)試。同時(shí)像腦機(jī)接口和前文提到的人工智能等前沿技術(shù)，也可以被類(lèi)腦計(jì)算“賦能”。
華寶洪認(rèn)為，“我們（類(lèi)腦計(jì)算的研究）最終的目的是為了服務(wù)于人類(lèi)的健康，這比類(lèi)腦計(jì)算帶給工業(yè)界的社會(huì)意義可能更為直觀。而且，通過(guò)腦仿真和類(lèi)腦計(jì)算，我覺(jué)得給大家的腦科學(xué)科研路徑和方法上打開(kāi)了一個(gè)新的想象空間，這是最重要的一點(diǎn)。”
雙腦驅(qū)動(dòng)、異構(gòu)融合——征服世界頂級(jí)學(xué)刊的中國(guó)類(lèi)腦芯片
芯片，是類(lèi)腦計(jì)算落地應(yīng)用的重要載體。目前，像IBM的TrueNorth、德國(guó)的BrainScales和英特爾的Loihi等，都是國(guó)際上較為知名的類(lèi)腦芯片，并已經(jīng)應(yīng)用在大規(guī)模腦仿真等腦科學(xué)相關(guān)的項(xiàng)目中。那么，中國(guó)的類(lèi)腦芯片，表現(xiàn)如何？
2019年8月1日，清華大學(xué)類(lèi)腦計(jì)算中心主任施路平團(tuán)隊(duì)的科研成果——上一代類(lèi)腦計(jì)算芯片“天機(jī)芯”登上世界頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《Nature》的封面位置。據(jù)統(tǒng)計(jì)，這不僅是《Nature》創(chuàng)刊130余年歷史中，僅有的十余篇華人一作的主刊封面論文之一，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了中國(guó)在芯片和人工智能兩大領(lǐng)域中，在《Nature》期刊上論文零的突破。
“異構(gòu)融合類(lèi)腦芯片”究竟強(qiáng)在哪？
記者發(fā)現(xiàn)，深度學(xué)習(xí)加速器(支持人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))和類(lèi)腦芯片(支持腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))是當(dāng)前人工智能芯片代表性的兩個(gè)主流方向，而目前的其他家芯片只能支持其中一類(lèi)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。北京靈汐科技今年成功量產(chǎn)了新一代類(lèi)腦計(jì)算芯片-領(lǐng)啟KA200，這款以“雙腦驅(qū)動(dòng)、異構(gòu)融合”思路作為指導(dǎo)研發(fā)出的商用類(lèi)腦芯片，則打破了這一禁錮。
“何為雙腦驅(qū)動(dòng)？通俗的說(shuō)，就是把計(jì)算機(jī)的剛性和人腦的彈性結(jié)合起來(lái)”。
華寶洪對(duì)記者表示，計(jì)算機(jī)適合處理的是確定的、靜態(tài)的、不變的場(chǎng)景，它的特點(diǎn)是快速準(zhǔn)確，表現(xiàn)特點(diǎn)為“剛性”。人腦擅長(zhǎng)處理的是近似的、不穩(wěn)定和多變的場(chǎng)景，表現(xiàn)特性為“彈性”。
“KA200類(lèi)腦芯片的設(shè)計(jì)思路，就是希望能夠把計(jì)算機(jī)這種快速、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，和人腦在抗噪音、稀疏處理和時(shí)空相關(guān)性等特點(diǎn)做融合，最終打造出具有雙腦驅(qū)動(dòng)、異構(gòu)融合的類(lèi)腦芯片”。
“KA200”類(lèi)腦芯片的優(yōu)勢(shì)是多方面的，突破了馮·諾依曼傳統(tǒng)架構(gòu)，采用眾核并行，存算一體和分布式計(jì)算等核心技術(shù)。單芯片支持25萬(wàn)神經(jīng)元和2500萬(wàn)個(gè)突觸，其計(jì)算能效比高、擴(kuò)展性好，可以同時(shí)高效地支持傳統(tǒng)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，助力和支撐人工通用智能的發(fā)展。
八年磨一劍的靈汐，賽道上砥礪前行的狂奔者
任何科研成果從學(xué)界轉(zhuǎn)向業(yè)界，都是驚險(xiǎn)的一跳。這對(duì)于手握世界頂級(jí)類(lèi)腦計(jì)算技術(shù)的靈汐科技團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，同樣如此。
畢竟，無(wú)論是國(guó)際還是國(guó)內(nèi)，類(lèi)腦芯片的研發(fā)都是一項(xiàng)長(zhǎng)期而艱苦的工作，尤其當(dāng)靈汐科技甩開(kāi)了傳統(tǒng)的思維與框架，力圖走出一條顛覆性的路線時(shí)，就要迎接更多的挑戰(zhàn)和艱辛。
從2013年承建國(guó)家項(xiàng)目，2018年成立靈汐科技，到2019年科研成果登上Nature封面,再到2021年商用類(lèi)腦芯片產(chǎn)品正式量產(chǎn)落地，整個(gè)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)走過(guò)8年的時(shí)光，其規(guī)模也逐漸增長(zhǎng)到了200人以上。
華寶洪告訴記者，最近幾年團(tuán)隊(duì)規(guī)模進(jìn)入快速發(fā)展階段。但更重要的是——在最新研發(fā)的KA200芯片量產(chǎn)成功后，靈汐團(tuán)隊(duì)已經(jīng)完成首批客戶簽單，實(shí)現(xiàn)了營(yíng)收。
“目前我們正在和國(guó)內(nèi)眾多的客戶和合作伙伴進(jìn)行對(duì)接測(cè)試和商業(yè)落地合作，涉及腦科學(xué)，安防、車(chē)路協(xié)同、智慧工控、新基建等多個(gè)行業(yè)方向。”
現(xiàn)在，靈汐科技推出類(lèi)腦芯片，類(lèi)腦計(jì)算板卡，類(lèi)腦計(jì)算服務(wù)器等硬件，還配套提供面向傳統(tǒng)人工智能和腦科學(xué)研究的全套軟件工具棧。
華寶洪認(rèn)為，“靈汐科技給合作伙伴提供的是基礎(chǔ)的軟硬件能力，我們非常愿意跟各個(gè)合作伙伴一起去探討各個(gè)行業(yè)應(yīng)用的結(jié)合，讓異構(gòu)融合、雙腦驅(qū)動(dòng)的類(lèi)腦芯片給客戶創(chuàng)造更大的價(jià)值。”
“在當(dāng)下，腦科學(xué)和類(lèi)腦智能已經(jīng)成為國(guó)家“十四五規(guī)劃”中的重點(diǎn)新興領(lǐng)域，也是國(guó)家層面大力扶持的領(lǐng)域。靈汐科技希望能夠在后摩爾時(shí)代，既能有效拓展客戶在原有深度學(xué)習(xí)方面形成的能力，又能在目前逐漸升溫的腦科學(xué)、類(lèi)腦智能計(jì)算等領(lǐng)域里，為大家開(kāi)辟了一個(gè)新的發(fā)展空間”。
寶劍鋒自磨礪出。八年磨一劍的靈汐科技團(tuán)隊(duì)，沒(méi)有盲從追隨主流的傳統(tǒng)框架，而是選擇了在異構(gòu)融合類(lèi)腦芯片的這條“一個(gè)人的賽道”上狂奔。未來(lái)中國(guó)在腦科學(xué)、腦認(rèn)知領(lǐng)域的進(jìn)展與突破，會(huì)因靈汐科技而帶來(lái)多少驚喜？讓我們拭目以待。
