黑科技自行車的“大腦”何以登上《自然》封面？

李明子

如何讓一輛單車自主行走？清華大學自動化系教授趙明國或許是最有發(fā)言權(quán)的人之一，他研究智能自行車已經(jīng)五年多。經(jīng)過幾輪升級進化，這臺通體黑色的高科技自行車已經(jīng)可以在變速跟蹤目標的同時主動躲避障礙、理解語音指示并自主決策了。

這歸功于它的“大腦”，一枚名為“天機”的人工智能芯片?！白孕熊囍皇翘鞕C芯的一個應用，目的就是驗證這款芯片的設想是可行的?！?趙明國對《中國新聞周刊》說?！爱斎涣?，現(xiàn)在還不能指望車子摔倒后自己學著站起來?！?/p>

盡管AI一詞最初就是用于表達與人類智能相似的機器智能的含義，但在其跌宕起伏的發(fā)展過程中，AI的內(nèi)涵已經(jīng)發(fā)生了變化，成為機器學習、統(tǒng)計分析的代名詞，遠離了智能的初衷。在這種情況下，一些“不忘初心”的研究人員共同成立了人工通用智能協(xié)會，并確定使用人工通用智能（Artificial general intelligence）作為該領(lǐng)域的正規(guī)稱謂。

在人工通用智能領(lǐng)域，基于計算機科學的算法是主流，其具體應用如圖像識別、語言處理和游戲等，已然深入日常生活，可以高度準確地完成指定任務，但還無法像人一樣具有思考和決策的智慧。另一個發(fā)展方向則是以生物領(lǐng)域的神經(jīng)科學為導向，試圖模仿人類大腦皮層，但還沒有成熟的應用。由于兩者在公式和編碼方案上的根本差異，此前分別依賴于截然不同平臺。

天機芯試圖突破瓶頸，實現(xiàn)“異構(gòu)融合”，即融合兩種人工智能范式，不僅在算法上，更是在硬件上。包括趙明國在內(nèi)，清華大學類腦計算研究中心的整個團隊與這個設想周旋了七年。

今年8月，天機芯登上《自然》雜志的封面?！爱悩?gòu)融合本身是顛覆性的，沒有經(jīng)驗可借鑒，也沒有參考資料?！贝舜窝芯康暮献鲉挝怀蓡T、新加坡科技與設計大學終身副教授、人工智能實驗室主任趙蓉解釋說。趙明國在接受《麻省理工科技評論》采訪時表示，“天機芯為未來人工通用智能的發(fā)展提供了一種可能的解決方案”，國內(nèi)媒體則稱贊說，“這實現(xiàn)了中國在芯片和人工智能兩大領(lǐng)域Nature論文零的突破”。

搭載天機芯的無人智能自行車已經(jīng)可以完成語音識別、目標鎖定、障礙辨別和自主決策等功能。

“人工通用智能最好的前景就是將機器學習與大腦建模結(jié)合起來，這也是異構(gòu)融合方案吸引人的地方”

天機芯被安置在自行車后座一個黑色盒子里，實際上還沒有小拇指甲蓋大，準確數(shù)字是3.8㎜×3.8㎜，上面密密麻麻地排列著156個計算單元，在更微觀的層面，共包含四萬個神經(jīng)元和一千萬個突觸。

僅從數(shù)量上看，單枚芯片的智力還不如一只果蠅，這種常被拿來實驗的昆蟲有幾十萬到一百萬個神經(jīng)元，是人腦神經(jīng)元數(shù)量的兩千多萬分之一?！斑@只是個基礎(chǔ)，證明可以在這么小的板子上高密度計算，未來還會不斷優(yōu)化?！眻F隊成員之一、清華大學計算機科學與技術(shù)系教授張悠慧解釋說。

模擬人腦的基礎(chǔ)歸功于團隊另一位成員，清華生物醫(yī)學工程系副教授宋森。他建立了一個可以綜合表達神經(jīng)元特性的數(shù)學模型，繼而用器件和電路模擬出來，把對人腦神經(jīng)回路的觀察應用到算法和芯片構(gòu)建上。

硬件的設計思路，就是總結(jié)出人工通用智能兩種模式的共性，共享給神經(jīng)元和突觸，讓神經(jīng)元和突觸本身可自由配置，既可以服務基于計算機科學的人工通用智能算法，也可以服務受神經(jīng)科學啟發(fā)的模型和算法，達到混合、協(xié)同的效果。這就好比一個可以兼容蘋果IOS和安卓的手機系統(tǒng)，盡量總結(jié)出兩者的共性并支持之，同時保留IOS和安卓的個性，靈活設計硬件，使之能按需配置，既能支持蘋果，又能支持安卓。

系統(tǒng)芯片是軟件和硬件的結(jié)合，張悠慧的工作便是設計軟件工具鏈，讓上層算法能夠在芯片上跑起來，簡單地說，就是通過工具鏈將不同層面的算法自動匹配到芯片的不同位置。

憶阻器主要發(fā)明人、加州大學洛杉磯分校物理系教授理查德·斯坦利·威廉姆斯（Williams， R. Stanley）在給《中國新聞周刊》回復的郵件中寫道：“人工通用智能的瓶頸在于我們?nèi)狈θ祟惔竽X的了解，最好的前景就是將機器學習與大腦建模結(jié)合起來，這也是異構(gòu)融合方案吸引人的地方，它允許不同方案混合起來解決單個領(lǐng)域出現(xiàn)的問題?！?/p>

芯片研發(fā)的同時，趙明國也在訓練自行車，讓它“掌握平衡”?！熬拖袢藢W騎自行車一樣，一開始很難平衡，但會騎之后就很容易了?！壁w明國解釋說，這需要綜合考慮自行車的速度、彈性車輪和不同地面之間的摩擦、風的擾動等等問題。

經(jīng)過不計其數(shù)的試驗，到2014年底，自行車已經(jīng)可以在平地勻速前行，或是在稍微粗糙一點的草地上自行，通過車把的轉(zhuǎn)向控制就可以實現(xiàn)。幾個月后，安裝完大腦的自行車已經(jīng)可以在天機芯的控制下完成圖像識別、語音識別等多種智能。

在清華大學精密儀器系另一間實驗室，不到20平方米的房間里架了36臺攝像機，全天記錄天機芯采集的數(shù)據(jù)，然后輸送到類腦計算機進行分析、計算、優(yōu)化，再反饋到芯片和自行車上。

“Straight！Left！Speed up！”（直行，左轉(zhuǎn)，加速）2016年冬天，趙明國的學生們穿著羽絨服在操場上訓練自行車時，這輛晃晃悠悠的單車已經(jīng)可以順利完成所有指令。圍繞這枚小小的芯片，類腦計算研究團隊融合了生物醫(yī)學、電子、微電子、計算機、自動化、材料和精密儀器等7個院系的多個學科的師生。

天機芯是非馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的。對此，趙蓉解釋說，這種結(jié)構(gòu)是將處理與存儲兩個模塊分離，中央處理器（CPU）執(zhí)行計算命令前要先從存儲單元中把數(shù)據(jù)調(diào)出，計算后再存到存儲器中。伴隨大數(shù)據(jù)和人工智能的發(fā)展，處理器不斷優(yōu)化，速度呈指數(shù)上升，時間單位可精確到微秒，而存儲器被遠遠落在了后面，兩者之間的差距越來越大，這種分離的架構(gòu)已經(jīng)無法滿足高速、節(jié)能等新要求?！翱傮w上看，天機芯的處理和存儲已經(jīng)可以在不同層面上實現(xiàn)了不同程度的統(tǒng)一。”

有業(yè)內(nèi)專家指出，目前所有通用的計算機都是馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的，突破馮結(jié)構(gòu)是業(yè)界的一個研究方向，此前也已經(jīng)有不少探索實踐，出現(xiàn)了一些代表性成果。但直到今天，這些非馮結(jié)構(gòu)的應用場景、應用規(guī)模都還比較有限，難以大規(guī)模推廣。像天機芯這樣基于人腦的神經(jīng)科學架構(gòu)起來的計算體系，是一個很有希望的嘗試，值得繼續(xù)研究。

“如果研究總想著如何趕超先進，是否能應用，就很難做到最好，或是做出顛覆性成果。”

“人為什么需要一臺無人智能自行車？”這是趙明國聽到的最多的疑問，在天機芯登上《自然》之前，疑問背后的質(zhì)疑明顯多于好奇。

曾有一位企業(yè)家參觀實驗室時，毫不客氣地說，“搞這個有什么用，什么也干不了，生產(chǎn)不了什么應用?！币欢ǔ潭壬?，這代表了當時多數(shù)人的普遍態(tài)度。

回國前，施路平曾在新加坡科技局數(shù)據(jù)存儲研究院擔任人工認知存儲器實驗室主任，2004年，因其在類超晶格相變材料和器件上的杰出貢獻，作為第一完成人成為當年新加坡國家科技獎得主。在收到加盟清華的邀請時，施路平已經(jīng)帶領(lǐng)團隊研究類腦計算近六年。他認識到存儲與處理之間不可逾越的高墻源自傳統(tǒng)的馮·諾依曼結(jié)構(gòu)，打破瓶頸的辦法就是學習人腦模式，將計算與存儲融合，這不僅需要存儲器方面的人才，更需要生物工程學、計算機系統(tǒng)等多個學科的融合。這次邀約，讓他心動了。

“清華有實現(xiàn)多學科融合的基礎(chǔ)?！壁w蓉回憶說，當時在新加坡也曾嘗試跨學校、跨機構(gòu)合作，但各家有各自的科研任務，融合起來有難度。至于清華，“畢竟大家都在一個校園里，更重要的是，清華有高水平的腦科學方面的專家?！?012年，施路平辭去在新加坡的所有職務，全職回到清華。

就在施路平回到清華組建類腦計算團隊之時，世界各地的科研人員和機構(gòu)也先后意識到仿生學對未來人工智能的意義。2008年，美國國防部下屬的國防高級研究計劃局（DARPA）通過立項，開始資助科技公司IBM研制面向智能處理的脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡芯片;2013年，歐盟“人腦計劃”獲得10億歐元的資金支持，由26個國家的135個機構(gòu)合作參與，研究為期10年;日本科學家也在2014年發(fā)起“神經(jīng)科學研究計劃”，項目預計在未來十年受到日本教育部、文化部和醫(yī)學研究與發(fā)展委員會共400億日元的資助。

凈身回國的施路平當時一沒有人，二沒有錢，項目書連首輪盲選都挺不過去，“類腦計算是個啥玩意？”人們不了解，也不敢信。好在他的堅持得到清華大學前后兩任校長的大力支持，當時主管人事的副校長邱勇負責引進施路平，時任校長陳吉寧拿出600萬元校長基金支持類腦計算研究，這筆啟動資金支撐施路平度過了最艱難的“創(chuàng)業(yè)期”。

加入清華后，施路平每天騎著一臺小破自行車穿梭在清華校園里，到處聯(lián)系團隊、人員。趙明國當時還不知道，這個突然加入教師籃球隊、與他志氣相投的施路平，就是傳說中學校從新加坡挖來的專家，直到2014年夏天，施路平到他的實驗室談起類腦計算芯片與機器人的合作，才把人對號入座。

張悠慧的加入稍晚一些，2014年秋季開學后，他應施路平邀請參加類腦計算團隊的組會。“一屋子二三十位老師，除了常打交道應用算法、計算機系統(tǒng)、材料等專業(yè)的同事，還有生物系的專家?！睆堄苹刍貞浾f，最初大家“互相聽不懂對方在說什么，因為大家的研究思路就不一樣?！睆堄苹叟e例說，生物領(lǐng)域一般先做假設，再去驗證，而做系統(tǒng)軟件設計之前一般已經(jīng)有了明確要解決的問題。

異構(gòu)融合的設想是施路平提出的，然后和團隊一起不斷討論。他習慣把隨時蹦出的想法記在隨身攜帶的本子上，有時半夜想起什么，就爬起來把點子寫出來。

國內(nèi)類腦計算研究的發(fā)展在2014年迎來轉(zhuǎn)機。當年8月，IBM宣布推出百萬神經(jīng)元類腦芯片TrueNorth，只有郵票大小，重量幾克，能力相當于一臺超級計算機，功耗卻只有65毫瓦，這一研究在2014年被《科學》雜志刊登后，越來越多的人開始擁抱“類腦計算”。但TrueNorth仍沒有打破馮？？諾依曼體系。

“如果研究總想著如何趕超先進，是否能應用，就很難做到最好，或是做出顛覆性成果?！壁w明國對《中國新聞周刊》說。2015年，第一代天機芯誕生，異構(gòu)融合的想法被證實可行，但芯片工藝和性能還需要進一步優(yōu)化，于是在2017年推出了第二代，就是《自然》封面上那個畫著人類大腦的芯片的真身。

2017年底，一家名為“天津清芯眾誠科技合伙企業(yè)”的公司成立，經(jīng)營范圍包括芯片、系統(tǒng)、算法、軟件技術(shù)服務等，股東包括施路平、張悠慧、趙蓉及清華大學精密儀器系副研究員裴京等幾位團隊主創(chuàng)人員。兩個月后，由天津清芯出資占股62.68%的北京靈汐科技有限公司成立，在天津清芯基礎(chǔ)上，增加了銷售自行開發(fā)的產(chǎn)品、計算機、軟件及輔助設備、電子產(chǎn)品等業(yè)務?！蹲匀弧氛撐闹袃晌皇鹈髡呔蛠碜造`汐科技。

靈汐科技市場總監(jiān)華寶洪今年5月接受媒體采訪時表示，公司由清華大學類腦計算研究中心孵化，將產(chǎn)學研結(jié)合，對核心技術(shù)進行產(chǎn)業(yè)化，提供商業(yè)化的類腦計算服務。未來，天機芯將通過靈汐科技走向市場。

三年前的夏天，施路平在趙明國實驗室提了兩個合作方案，通過智能自行車檢驗天機芯只是其一，另一個難度更大，但更符合市場胃口，把成熟的天機芯應用到趙明國的仿真機器人身上。不過，趙明國透露說，天機芯與機器人的結(jié)合還只是個設想，需要更多的研究與磨合，更何況，第二代天機芯也還在優(yōu)化，遠未達到真正的智能。

類腦計算系統(tǒng)仍處于起步階段，尚未形成公認的技術(shù)方案，天機芯提供了其中一種可能。據(jù)施路平團隊介紹，第三代天機芯正在研發(fā)，能效將是第二代的100倍，有更大的商用價值，野外偵察、無人駕駛，或是更為具體的應用場景?！?020年會出第三代，但具體應用還不便透露?！彼固估ね穭t強調(diào)說，“大腦處理信息的運作原理對科學來說還是個謎，在我們接近一個令人滿意的答案之前，理解大腦如何工作還需要許多年?！?/p>

施路平說，盡管距離替代人類還很遙遠，但借鑒人腦信息處理方式打破傳統(tǒng)架構(gòu)，創(chuàng)造出適用于實時處理非結(jié)構(gòu)化信息的超低功耗新型計算系統(tǒng)是未來的方向，也就是所謂的類腦計算。歐盟人腦計劃項目更為激進地提出，“在未來二十到三十年內(nèi)，誰要想主導世界經(jīng)濟，誰就必須在這個領(lǐng)域領(lǐng)先。”