類腦智能：人工智能發(fā)展的另一條路徑

文 王 沖

人工智能的迅速發(fā)展將深刻改變世界發(fā)展模式和人類生活方式。為搶抓人工智能發(fā)展重大戰(zhàn)略機(jī)遇，各國均在構(gòu)筑先發(fā)優(yōu)勢。類腦智能作為人工智能的另一條發(fā)展路徑，也是實(shí)現(xiàn)通用人工智能的最可能路徑，成為各國的關(guān)注焦點(diǎn)。

類腦智能是人工智能發(fā)展的必要路徑

當(dāng)前人工智能存在兩條技術(shù)發(fā)展路徑。一條是以模型學(xué)習(xí)驅(qū)動的數(shù)據(jù)智能，另外一條是以認(rèn)知仿生驅(qū)動的類腦智能。當(dāng)前現(xiàn)階段人工智能發(fā)展的主流技術(shù)路線是數(shù)據(jù)智能，但是數(shù)據(jù)智能存在一定局限性，如：數(shù)據(jù)方面，需要海量數(shù)據(jù)和高質(zhì)量的標(biāo)注；自主學(xué)習(xí)、自適應(yīng)等能力弱，高度依賴于模型構(gòu)建；計(jì)算資源消耗比較大，CPU、GPU消耗量巨大；缺乏邏輯分析和推理能力不足，僅具備感知識別能力；時序處理能力弱，缺乏時間相關(guān)性；僅解決特定問題，適用于專用場景智能。

類腦智能可以解決數(shù)據(jù)智能的局限性和不足。數(shù)據(jù)方面，類腦智能可處理小數(shù)據(jù)、小標(biāo)注問題，適用于弱監(jiān)督和無監(jiān)督問題；更符合大腦認(rèn)知能力，自主學(xué)習(xí)、關(guān)聯(lián)分析能力強(qiáng)，魯棒性較強(qiáng)；計(jì)算資源消耗較少，人腦計(jì)算功耗約20瓦，類腦智能模仿人腦實(shí)現(xiàn)低功耗；邏輯分析和推理能力較強(qiáng)，具備認(rèn)知推理能力；時序相關(guān)性好，更符合現(xiàn)實(shí)世界；可能解決通用場景問題，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)人工智能和通用智能。

類腦智能的定義

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)。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，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。

類腦智能發(fā)展有3個層面的目標(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。具體來說，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)），通過神經(jīng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的分析探測技術(shù)完成；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)；功能層次，對類腦計(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，實(shí)現(xiàn)智能培育和進(jìn)化，學(xué)習(xí)、記憶、識別、會話、推理、決策以及更高智能。

現(xiàn)階段類腦智能研究發(fā)展依然緩慢。一是由于腦機(jī)理認(rèn)知尚不清楚。大腦是人類進(jìn)化的高級產(chǎn)物，重量約1.5公斤，占體重2%，功耗約20瓦，占全身功耗20%，當(dāng)前人類對大腦的認(rèn)識還不足5%，尚無完整的腦譜圖可參考；二是由于類腦計(jì)算模型和算法尚不精確。神經(jīng)元連接的多樣性變化性，使得前饋、反饋、前饋激勵、前饋抑制、反饋激勵、反饋抑制的建模不精確，腦功能分區(qū)與多腦區(qū)協(xié)同的算法不準(zhǔn)確；三是現(xiàn)有計(jì)算架構(gòu)和能力制約?，F(xiàn)在計(jì)算系統(tǒng)是馮諾依曼架構(gòu)，計(jì)算與存儲分離，系統(tǒng)功耗高、并行度低、規(guī)模有限，而類腦計(jì)算系統(tǒng)是非馮諾依曼架構(gòu)，計(jì)算與存儲統(tǒng)合，高密度、低功耗，顛覆現(xiàn)有架構(gòu)的代價較大。

各國高度重視積極布局

先進(jìn)國家積極布局類腦智能研發(fā)。美國于2013年啟動“BRAIN計(jì)劃”，將大腦結(jié)構(gòu)圖建立、類腦相關(guān)理論建模、腦機(jī)接口等列為研發(fā)重點(diǎn)；歐盟于2013年提出“人腦計(jì)劃”，重點(diǎn)開展人腦模擬、神經(jīng)形態(tài)計(jì)算、神經(jīng)機(jī)器人等領(lǐng)域研究；日本于2008年提出“腦科學(xué)戰(zhàn)略研究項(xiàng)目”，重點(diǎn)開展腦機(jī)接口、腦計(jì)算機(jī)研發(fā)和神經(jīng)信息相關(guān)的理論構(gòu)建；韓國在2016年發(fā)布《腦科學(xué)研究戰(zhàn)略》，重視腦神經(jīng)信息學(xué)、腦工程學(xué)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、大腦仿真計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域的研發(fā)。

企業(yè)爭相布局類腦智能。IBM圍繞Watson系統(tǒng)和TrueNorth類腦芯片，意圖搶先打造類腦智能生態(tài)系統(tǒng)；谷歌依托全球技術(shù)領(lǐng)先地位，在現(xiàn)有谷歌大腦基礎(chǔ)上結(jié)合醫(yī)學(xué)、生物學(xué)積極布局人工智能；微軟提出意識網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，聲稱是具備可解釋性的新型類腦系統(tǒng)。除龍頭企業(yè)外，美國Emotiv、美國Neurallink、美國Kernel、美國Brainco、瑞士aiCTX等一批新興公司在類腦智能方面取得很多研發(fā)成果，部分進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段。

我國積極統(tǒng)籌加速布局類腦智能。我國在2006年《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020）》中就把“腦科學(xué)與認(rèn)知”列入基礎(chǔ)研究8個科學(xué)前沿問題之一。在2016年《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》也將腦科學(xué)與類腦研究列入科技創(chuàng)新2030重大項(xiàng)目。2017年國務(wù)院《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》提出了2030年類腦智能領(lǐng)域取得重大突破的發(fā)展目標(biāo)。我國于2017、2018年分別成立了類腦智能技術(shù)及應(yīng)用國家工程實(shí)驗(yàn)室、北京腦科學(xué)與類腦研究中心，形成了“南腦北腦”共同快速發(fā)展的格局。

類腦智能技術(shù)體系

類腦智能技術(shù)體系分四層：基礎(chǔ)理論層、硬件層、軟件層、產(chǎn)品層?；A(chǔ)理論層基于腦認(rèn)知與神經(jīng)計(jì)算，主要從生物醫(yī)學(xué)角度研究大腦可塑性機(jī)制、腦功能結(jié)構(gòu)、腦圖譜等大腦信息處理機(jī)制研究；硬件層主要是實(shí)現(xiàn)類腦功能的神經(jīng)形態(tài)芯片，也就是非馮諾依曼架構(gòu)的類腦芯片，如脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片、憶阻器、憶容器、憶感器等；軟件層包含核心算法和通用技術(shù)，核心算法主要是弱監(jiān)督學(xué)習(xí)和無監(jiān)督學(xué)習(xí)機(jī)器學(xué)習(xí)機(jī)制，如脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、增強(qiáng)學(xué)習(xí)、對抗神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等；通用技術(shù)主要是包含視覺感知、聽覺感知、多模態(tài)融合感知、自然語言理解、推理決策等；產(chǎn)品層主要包含交互產(chǎn)品和整機(jī)產(chǎn)品，交互產(chǎn)品包含腦機(jī)接口、腦控設(shè)備、神經(jīng)接口、智能假體等，整機(jī)產(chǎn)品主要有類腦計(jì)算機(jī)、類腦機(jī)器人等。

類腦智能當(dāng)前存在先結(jié)構(gòu)后功能和先功能后結(jié)構(gòu)兩條發(fā)展思路。先結(jié)構(gòu)后功能，主要指先研究清楚大腦生理結(jié)構(gòu)，然后根據(jù)大腦運(yùn)行機(jī)制研究如何實(shí)現(xiàn)大腦功能；先功能后結(jié)構(gòu)，主要是先使用信息技術(shù)模仿大腦功能，在模仿過程中逐步探索大腦機(jī)制，然后相互反饋促進(jìn)。兩條發(fā)展思路各有千秋，功能和結(jié)構(gòu)的任意發(fā)展突破都會推動類腦智能的極大發(fā)展，因此現(xiàn)階段兩條路線并行發(fā)展。

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)。

類腦智能目前整體處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，腦機(jī)接口技術(shù)是類腦領(lǐng)域目前唯一產(chǎn)業(yè)化的領(lǐng)域。腦機(jī)接口技術(shù)是在人或動物腦（或者腦細(xì)胞的培養(yǎng)物）與外部設(shè)備間建立直接連接通路，以“人腦”為中心，以腦信號為基礎(chǔ)，通過腦—機(jī)接口實(shí)現(xiàn)控制人機(jī)混合系統(tǒng)。腦機(jī)接口應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)癱瘓人士通過腦機(jī)設(shè)備控制機(jī)械臂完成相應(yīng)動作，也可實(shí)現(xiàn)對多動癥、癲癇等疾病采取神經(jīng)反饋方式做對應(yīng)的恢復(fù)訓(xùn)練；用于智能家居，實(shí)現(xiàn)意念控制開關(guān)燈、開關(guān)門、開關(guān)窗簾等，進(jìn)一步控制家庭服務(wù)機(jī)器人。全球最受關(guān)注的腦機(jī)接口公司前十名多分布在北美和歐洲，我國產(chǎn)業(yè)界逐步推出產(chǎn)品，如科斗腦機(jī)、海天智能等公司研發(fā)生產(chǎn)出植入式腦微電極、腦控智能康復(fù)機(jī)器人等產(chǎn)品。

未來發(fā)展建議

加快構(gòu)建全景戰(zhàn)略視圖，突出重點(diǎn)方向。從科研、技術(shù)和產(chǎn)業(yè)等多維度形成類腦智能體系化布局，并突出重點(diǎn)發(fā)展方向，具體圍繞結(jié)構(gòu)、器件、功能三個層面開展重點(diǎn)布局和超前部署。

加大對基礎(chǔ)工藝／算法／軟件等的投入力度。我國長期以來在新算法、新結(jié)構(gòu)、新原理的研究方面原創(chuàng)不足，制約類腦智能整體創(chuàng)新供給能力。因此，仍需持續(xù)加大對原始科研創(chuàng)新的重視力度，對關(guān)鍵基礎(chǔ)工藝／算法／軟件等加大支撐投入力度。

強(qiáng)化政產(chǎn)學(xué)研合作，推動技術(shù)體系化創(chuàng)新。類腦智能體系涉及要素較多，需要政產(chǎn)學(xué)研緊密合作，深化多方協(xié)同的合作，共同推動技術(shù)實(shí)現(xiàn)體系化的創(chuàng)新。借鑒其他先進(jìn)國家布局經(jīng)驗(yàn)，突出政產(chǎn)學(xué)研多方合作在類腦智能創(chuàng)新中的合力作用，構(gòu)建國內(nèi)多方協(xié)同的創(chuàng)新體系。