类脑计算 他们从0到1 为类脑计算系统领域提供“准绳”

想象有一天，机器可以像人一样思考和处理问题，这对于21世纪的我们早已不是一个陌生的话题。人工通用智能的梦想鞭策着人类不断探索脑科学的奥秘与用机器模拟生物神经网络的结构和信息加工的潜力，而后者就是我们所说的类脑计算，也叫神经形态计算。

然而，目前的类脑计算研究尚处于起步阶段，国际上还没有形成公认的技术标准与方案。10月14日，清华大学计算机系张悠慧团队和精仪系施路平团队与合作者在《自然》杂志发表题为《一种类脑计算系统层次结构》的论文，填补了类脑计算系统领域完备性理论与相应的类脑计算系统层次结构方面的空白。

这是一年多来，清华团队在类脑计算领域继“天机芯”和“多阵列忆阻器存算一体系统”之后于《自然》正刊发表的第三篇成果，也是国内计算机体系结构领域首篇《自然》论文。

为类脑计算系统领域提供“准绳”

如果说，“图灵完备性”是通用计算机领域的“圭臬”，那么“类脑计算完备性”则是希望也能够为类脑计算系统领域的发展提供一个“准绳”。

通用计算领域有两个著名概念，一个是“图灵完备性”，另一个是“冯·诺依曼体系结构”。前者用来衡量计算系统是否能够用来解决通用计算问题，后者则是通用计算机运作的体系结构，该结构具有存储部件与计算部件分离、程序与数据统一存储等特性。这两个基本概念几乎构建起了目前所有处理器、计算机、手机等设备的基本架构。

然而，现有类脑计算系统研究却没有这样的理论架构。类脑计算软硬件间的高度耦合阻碍了它们在独立发展的同时互相兼容的可能性，如何突破这一局面，扩展类脑计算系统的应用场景?这成了团队下决心要解决的重点问题。

“通用计算领域的图灵完备性和冯·诺依曼体系结构都是非常基础、大家也非常熟悉的概念，以至于很多人都不会意识到，对于新兴的类脑计算系统领域，这是一个需要首先解决的问题。”计算机系研究员张悠慧说。

从传统通用计算机的设计哲学和方法论中汲取灵感和经验，团队针对类脑计算不像通用计算注重每一个计算过程的精确而更注重结果拟合的特性，提出了对计算过程和精度约束更低的类脑计算完备性概念，并且设计了相应的类脑计算机层次结构：图灵完备的软件模型，类脑计算完备的硬件体系结构，以及位于两者之间的编译层。

另外，通过构造性转化算法，任意图灵可计算函数都可以转换为类脑计算完备硬件上的模型，这意味着，类脑计算系统也可以支持通用计算，极大地扩展了类脑计算系统的应用领域，也使类脑计算软硬件各自独立发展成为可能。

“通俗来讲，‘完备性’可以回答系统能够完成什么、功能边界在哪里等问题。研究完备性，可以为软硬件系统的解耦合、划分不同研究领域间的任务分工与接口提供理论基础，我们的研究聚焦完备性理论研究，先回答基本的问题。”张悠慧说。

交叉学科的“火花”，成就《自然》“三连发”

这一突破，是学科交叉的成果。

类脑计算属于交叉研究领域，涉及脑科学、电子、微电子、计算机、自动化、材料以及精密仪器等多个学科。学科交叉意味着研究中需要集各科之所长，但是专业壁垒却增加了学科之间互相理解、协同配合的难度。如何让一个生物学家不必深入钻研计算机理论却依然能理解进而将自己的专业前沿成果结合到类脑计算当中?这是交叉研究项目面临的现实问题。

《自然》杂志审稿人说，这项研究“使得相关研究领域间的任务分工与接口更为清晰，有利于不同学科的研究人员专注于其专业领域、促进协同发展”。

2019年，一辆“成了精”的自行车成为网络热点。这辆无人自行车可实时感知周围环境，自己保持平衡骑行。而它的“大脑”，正是施路平教授团队研制的“天机”(Tianjic)人工通用智能芯片。这款由中国自主研制的芯片，更是全球首款异构融合类脑芯片。2019年8月1日，它登上了最新一期《自然》杂志的封面。

而此次文章的发表，意味着清华大学相关团队在一年多的时间内完成了类脑计算领域《自然》正刊三连发——从“天机芯”登上《自然》封面开始，到2020年年初的的文章(微纳电子系吴华强教授团队与合作者)，直至此次一文，上述论文分别从“异构融合的新型类脑计算芯片与系统”“基于忆阻器件的神经形态芯片”，以及“类脑计算完备性与系统层次结构”等角度完成了类脑计算领域的首次实现。

事实上，只有不让研究人员分心，专于所长，推动各个具体学科领域的技术突破，才能为类脑计算提供更加坚实的基础和支持。

“施路平教授团队的研究面向新型类脑计算芯片与系统，是在面向人工通用智能的应用方面开展工作，可以说是我们工作的牵引。而吴华强教授团队在新器件、新工艺层面的创新，则是我们工作的推动。对于我们研究的计算机系统结构而言，两者都是重要的支撑。”张悠慧说：“我们很荣幸能参与其中，进一步探索计算理论和计算系统架构的问题。”

据了解，清华大学对学科交叉要求极高的类脑计算研究高度重视，坚持有组织的科研，于2014年9月创立由7家院系联合而成的类脑计算研究中心，精仪系施路平教授担任中心主任。中心融合了脑科学、电子、微电子、计算机、自动化、材料以及精密仪器等学科，进行全方位类脑智能研究。

尽管文章从投稿到最终发表经历了不到一年的时间，但这项成果的产生并不是一蹴而就的。在类脑计算系统设计和编译技术上，团队就已经在过去几年的不懈研究中打下了坚实的基础，加之此前清华在类脑领域新进展的借鉴与启发，都为这次类脑计算完备性和类脑计算系统层次结构的提出，提供了技术和方法上的支持。

“小团队”的“大项目”

在学科“大咖”的支持和青年“后浪”的努力下，这个“小团队”最终做成了类脑计算系统理论与原型构建的“大项目”。

从今年春节前夕投稿，到8月上旬正式被接收，论文的两轮修改都是在疫情期间完成的。整个审稿过程无法在线下交流讨论和开展实验，对于团队而言无疑是一个挑战。“但从另一个角度看，因为疫情期间哪儿也去不了，我们能更加潜心和专一地去做好这一件事。”张悠慧说。

研究小组努力克服交流不便、实验数据处理困难等问题，对文章的实验设计做了较大补充与改进。

“一开始审稿人认同我们研究问题的意义，但是并不理解我们对于研究问题的解决思路，对于是否有必要进行底层的计算理论设计，审稿人提出了质疑。”计算机系博士后渠鹏说，“但是通过对整体行文逻辑、文章内容和原型实验的反复斟酌修改，以及对研究思路和质疑点的一一反馈，审稿人最后认同了我们的设计理念。”

今年刚毕业的博士生季宇是完成计算完备性相关工作的关键主力，因为在科研方面的优异表现，他的博士论文也被评为清华大学优秀博士论文。另一位文章的共同第一作者是精仪系的张伟豪，师从施路平教授的他提出了能够充分利用类脑计算完备性的硬件抽象体系结构与映射方法，施路平教授的另一位博士生王冠睿则负责了全部硬件工作。大家各取所长，共同搭建起了类脑计算系统的层次结构。

70多页的反馈文件，一次又一次地讨论、修改、迭代，见证了团队一步一步迎难而上的努力。“当审稿人说我们的研究明确了不同领域的分工和接口，将对类脑计算的交叉研究产生积极作用时，我真的很受鼓舞，感觉到自己研究的东西是十分有意义的，也是被类脑计算社区所认可的。”渠鹏说。

施路平表示，未来，在理论层面，团队将更关注类脑应用的“神经形态特性”，并希望最终建立起一个与图灵完备相对应的全新类脑计算理想范式;在系统层面，团队将依托计算机系高性能所在超算与芯片方面的雄厚实力，研发受脑启发的支持通用计算的新型计算机系统结构与芯片。

“尽管目标远大，道阻且长，但日积跬步，终将到达千里之外。至于是否能实现最初的梦想，时间会给所有的努力一个答案。”施路平说。中青报·中青网记者 叶雨婷 通讯员 詹萌