類腦計(jì)算 ：未來技術(shù)和產(chǎn)業(yè) “鍛長板”突破口

張鑫

摘? ?要：新一輪科技革命催生的未來技術(shù)和新興產(chǎn)業(yè)的國際競爭愈演愈烈。為實(shí)現(xiàn)中長期、可持續(xù)、動(dòng)態(tài)化的科技自立自強(qiáng)，在攻克關(guān)鍵少數(shù)“卡脖子”領(lǐng)域的同時(shí)，更需要對未來技術(shù)和產(chǎn)業(yè)“鍛長板”， 防范新一輪“卡脖子”問題，助推中國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級。作為被國際半導(dǎo)體協(xié)會(huì)認(rèn)定為后摩爾時(shí)代最 具發(fā)展?jié)摿Φ念嵏残杂?jì)算技術(shù)之一，類腦計(jì)算有望引領(lǐng)人工智能從專用走向通用階段。目前，中國類腦 計(jì)算技術(shù)已擁有局部優(yōu)勢，有望成為未來集成電路和人工智能領(lǐng)域的關(guān)鍵“長板”，也為解決高端芯片 “卡脖子”問題提供了“換道超車”的新路徑。未來，應(yīng)加快構(gòu)建支持前沿技術(shù)創(chuàng)新的新型舉國體制， 有效推動(dòng)類腦計(jì)算實(shí)現(xiàn)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化突破。

關(guān)鍵詞：類腦計(jì)算;科技自立自強(qiáng);鍛長板;新型舉國體制

為了實(shí)現(xiàn)中長 期、可持 續(xù)、動(dòng)態(tài)化的科技 自立自強(qiáng)，中國既要針對“卡脖子”領(lǐng)域加快補(bǔ) 短板，更要在未來技術(shù)和產(chǎn)業(yè)上加強(qiáng)前瞻性布 局，不斷“鍛長板”。類腦計(jì)算（Brain-inspired Computing）被國際半導(dǎo)體協(xié)會(huì)認(rèn)定為后摩爾時(shí)代 最具發(fā)展?jié)摿Φ念嵏残杂?jì)算技術(shù)之一，有望引領(lǐng) 人工智能從專用走向通用階段。中國類腦計(jì)算已 具備局部技術(shù)優(yōu)勢和初步商業(yè)化條件，亟需在政 策引導(dǎo)上持續(xù)發(fā)力，盡快將其打造成未來技術(shù)和 產(chǎn)業(yè)的新“長板”。

一、類腦計(jì)算是后摩爾時(shí)代極具應(yīng)用潛力 的顛覆性技術(shù)，有望推動(dòng)人工智能發(fā)展走 向通用階段

數(shù)字經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展離不開超大規(guī)模的計(jì)算 能力，而現(xiàn)有的計(jì)算模式存在算力的“天花板”，亟待后摩爾時(shí)代的新一輪顛覆性技術(shù)革命。根據(jù) 國際電子電路協(xié)會(huì)等多家機(jī)構(gòu)的預(yù)測，未來十年 很可能將迎來新型計(jì)算產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展期。在眾 多新型計(jì)算技術(shù)中，類腦計(jì)算和量子計(jì)算被國際 半導(dǎo)體協(xié)會(huì)認(rèn)定為未來最具潛力的兩大顛覆性計(jì) 算技術(shù)。類腦計(jì)算是借鑒腦科學(xué)基本原理，以開 發(fā)通用人工智能（AGI）為目標(biāo)的一種新型計(jì)算技 術(shù)。這兩種技術(shù)各有千秋，但類腦計(jì)算具備兩項(xiàng) 獨(dú)特優(yōu)勢。

一是類腦計(jì)算有望成為未來通用人工智能

的實(shí)現(xiàn)路徑。 目前人工智能主要依賴機(jī)器學(xué)習(xí) 技術(shù)，即在“馮·諾依曼架構(gòu)”計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ) 上，不斷升級計(jì)算和存儲(chǔ)設(shè)備，并利用日益龐 大的數(shù)據(jù)集加以訓(xùn)練學(xué)習(xí)，從而開發(fā)出更為復(fù) 雜的算法模型，以實(shí)現(xiàn)智能化決策能力。但是， 這種技術(shù)路徑只適合一些特定應(yīng)用場景，如不 能引入腦科學(xué)原理，將來實(shí)現(xiàn)通用人工智能的可能性很小。類腦計(jì)算就是借鑒了大腦基本運(yùn) 行原理，用以實(shí)現(xiàn)小數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)、事件觸發(fā)、近 似計(jì)算、高度并行等符合通用人工智能需求的 技術(shù)特征，很可能引發(fā)從專用到通用的新一輪 人工智能革命。

二是類腦計(jì)算在近年內(nèi)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；逃玫目?能 性 更 高。 與量子計(jì)算相比，類腦計(jì)算的發(fā) 展前景更清晰、技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式更成熟、市場需求 也更迫切。從發(fā)展前景來看，據(jù)國際 IT 技術(shù)咨 詢公司高德納（Gartner）分析，類腦計(jì)算預(yù)計(jì)在 2024-2029 ?年間達(dá)到技術(shù)成熟期并實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商用，而量子計(jì)算要在 2030 年之后才可能實(shí)現(xiàn)大規(guī) 模商用。從技術(shù)支撐來看，類腦計(jì)算可以直接使 用現(xiàn)有的計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，與現(xiàn)代計(jì)算系統(tǒng)相 互兼容、靈活部署，而量子計(jì)算則需要開發(fā)全新 設(shè)備且必須在極低溫條件下運(yùn)行。從市場條件來 看，人工智能的巨大應(yīng)用需求可以直接帶動(dòng)類腦 計(jì)算的商業(yè)化發(fā)展。目前專用人工智能訓(xùn)練模型 功耗大、費(fèi)時(shí)長，已成為其主要瓶頸，而類腦計(jì) 算能夠以小得多的代價(jià)完成同樣的訓(xùn)練任務(wù)，市場需求潛力很大。

二、中國類腦計(jì)算技術(shù)已擁有局部優(yōu)勢， 有望成為未來集成電路和人工智能領(lǐng)域的 關(guān)鍵“長板”

中國類腦計(jì)算研究成果數(shù)量、質(zhì)量均已接近 美國，并在部分領(lǐng)域形成了領(lǐng)先優(yōu)勢。根據(jù)愛思 唯爾 Sci Val 科研數(shù)據(jù)，2015-2020 年世界各國 發(fā)表的類腦計(jì)算論文共計(jì) 13918 篇，其中美中 兩國發(fā)表數(shù)量位居前兩名，占比依次為 24.1% 和 15.4%。雖然存量仍有差 距，但中國年度 發(fā)表論文數(shù)量從 2015 年的 110 篇快速躍升至2020 年的 590 篇，已接近美國。從質(zhì)量指標(biāo)來 看，中美類腦計(jì)算論文篇均被引用數(shù)量分別為 7.3 次和 8.1 次;中國收錄于頂級（前 1%）期 刊的 論文 占比 為 5.6%，超 過了 美國 的 3.9%。 在部分細(xì)分領(lǐng)域，中國研究機(jī)構(gòu)的成果已達(dá)到 世界領(lǐng)先水平。如清華大學(xué)施路平教授團(tuán)隊(duì)的 成果，曾被美國白宮科技政策辦公室評價(jià)為全球類腦計(jì)算亮點(diǎn)之一，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)的類腦計(jì)算 芯片——“天機(jī)芯”還登上了《自然》雜志封面。 此外，清華大學(xué)吳華強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)、浙江大學(xué)潘 綱教授團(tuán)隊(duì)在卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、類腦操作系統(tǒng)等 前沿領(lǐng)域均取得了世界矚目的重要進(jìn)展。

中美兩國類腦計(jì)算的發(fā)展優(yōu)勢相似，主要表 現(xiàn)為計(jì)算機(jī)科學(xué)基礎(chǔ)雄厚、政產(chǎn)學(xué)研多創(chuàng)新主 體參與、國際合作水平較高等。從類腦計(jì)算科 研學(xué)者的學(xué)科背景來看，計(jì)算機(jī)科學(xué)、工程學(xué)、 數(shù)學(xué)領(lǐng)域的科研工作者對類腦計(jì)算貢獻(xiàn)占據(jù)前 三，其中，中美兩國計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域?qū)W者的占 比分別為 45.5% 和 44.6%。 從類腦計(jì)算研究機(jī) 構(gòu)來看，中國的主要劣勢在于缺乏領(lǐng)軍企業(yè)。 美國論文數(shù)量排名前十的研究機(jī)構(gòu)中有 8 所高 校、1 ?家企業(yè)和 1 個(gè)國家實(shí)驗(yàn)室，其中，普渡 大學(xué)、加州大學(xué)圣地亞哥分校和匹茲堡大學(xué)等 三家高校發(fā)表論文數(shù)量位居前三;I BM 盡管發(fā) 表論文數(shù)量略少，但得益于其開發(fā)的類腦芯片 “真北芯片（True North）”等奠基性工作，IBM 的類腦計(jì)算論文總引用量和篇均被引量相比其 他機(jī)構(gòu)遙遙領(lǐng)先;美國聯(lián)邦政府所屬的橡樹嶺 國家實(shí)驗(yàn)室在類腦計(jì)算方面的研究近年來呈現(xiàn)顯著增長態(tài)勢，2015 年后的論文增長率位居首 位。中國論文數(shù)量排名前十的研究機(jī)構(gòu)中有 8 所高校、2 個(gè)研究機(jī)構(gòu)。其中，中科院、清華 大學(xué)和北京大學(xué)發(fā)表論文數(shù)量位居前三;上海 交通大學(xué)和清華大學(xué)的篇均引用量遠(yuǎn)高于其他 研究單位;中國科技大學(xué)和電子科技大學(xué)的論 文數(shù)量增長最快。從類腦計(jì)算相關(guān)論文的國際 合作情況來看，中美兩國均有大約 1/3 的論文 采用了國際合作的形式發(fā)表，并且中美兩國合 作較為緊密。例如，清華大學(xué)與美國研究機(jī)構(gòu) 合作的相關(guān)論文數(shù)量高達(dá) 44 篇，已成為全球類 腦計(jì)算領(lǐng)域與美國合作成果最多的機(jī)構(gòu)。

三、類腦計(jì)算為解決高端芯片“卡脖子” 問題提供“換道超車”的新路徑

制造工藝是芯片“卡脖子”的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，類 腦計(jì)算具備突破這一限制的巨大潛力。據(jù)清華大 學(xué)類腦計(jì)算研究中心估計(jì)，類腦計(jì)算芯片架構(gòu)獨(dú) 特，具有低功耗、高算力等優(yōu)勢，有望在中國半 導(dǎo)體工藝落后 2-3 代的情況下，獲得比國外傳統(tǒng) 架構(gòu)高端芯片更強(qiáng)大的計(jì)算能力。而且，相對于 已被少數(shù)發(fā)達(dá)國家掌控的傳統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù)，類腦 計(jì)算還未形成由單一國家把持的技術(shù)壁壘，一旦 中國率先取得關(guān)鍵技術(shù)突破，有可能對現(xiàn)有計(jì)算 模式實(shí)現(xiàn)“降維打擊”，同時(shí)實(shí)現(xiàn)集成電路和人工 智能領(lǐng)域的跨越式發(fā)展。

類腦計(jì)算為中國發(fā)展完全自主的高性能計(jì)算 芯片提供了嶄新的競爭平臺(tái)。構(gòu)建類腦計(jì)算系統(tǒng) 是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涵蓋信息、計(jì)算機(jī)、集 成電路等多領(lǐng)域的科學(xué)和技術(shù)，其中，計(jì)算理論、 硬件和軟件都將迎來顛覆性革新。

從計(jì)算理論角度看，類腦計(jì)算從腦科學(xué)出發(fā)， 深入探索腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多層次復(fù)雜結(jié)構(gòu)和高度可 塑性特點(diǎn)，在現(xiàn)有計(jì)算機(jī)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，引入空 間和時(shí)間復(fù)雜性，既保持了原有的計(jì)算機(jī)架構(gòu)優(yōu) 勢，又最大程度提升處理非結(jié)構(gòu)化信息的能力。 同時(shí)，類腦計(jì)算還對以圖靈完備性為基礎(chǔ)的現(xiàn)代 計(jì)算理論進(jìn)行更新和擴(kuò)充，發(fā)展類腦完備性理論。

中國發(fā)展類腦計(jì)算基礎(chǔ)理論，可以從零開始構(gòu)建 新的計(jì)算范式、計(jì)算架構(gòu)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，扭轉(zhuǎn)中國 對信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定缺乏影響力和話語權(quán)的被動(dòng) 局面。

從硬件平臺(tái)來看，以類腦計(jì)算芯片作為硬件 核心，可以為仿真或模擬提供計(jì)算、存儲(chǔ)和通信 資源。構(gòu)建海量類腦計(jì)算芯片的陣列集成系統(tǒng)， 是目前國際通行的大規(guī)模類腦計(jì)算系統(tǒng)的主流技 術(shù)路線。類腦計(jì)算硬件有著獨(dú)特的架構(gòu)優(yōu)勢和靈 活的實(shí)現(xiàn)方案，即使在相對落后的技術(shù)節(jié)點(diǎn)下， 也能實(shí)現(xiàn)高性能運(yùn)算。新型納米和半導(dǎo)體技術(shù)的 發(fā)展，有望發(fā)展出超高能效和密度的類腦器件和 芯片。通過發(fā)展類腦計(jì)算硬件，中國可以構(gòu)建擁 有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的計(jì)算框架，打破我國研究 機(jī)構(gòu)和企業(yè)發(fā)展高性能計(jì)算芯片長期需要從國外 購買知識(shí)產(chǎn)權(quán)的對外依賴局面。此外，類腦計(jì)算 還可以通過提高對腦科學(xué)的理解程度，促進(jìn)腦機(jī) 接口技術(shù)的發(fā)展。

從系統(tǒng)軟件來看，由軟件層和編譯層組成的 配置工具鏈?zhǔn)穷惸X計(jì)算的軟件核心，是發(fā)揮硬件 易用性的重要保障。自主開發(fā)類腦計(jì)算軟件工具 鏈，將有助于改變中國發(fā)展高性能集成電路和信 息產(chǎn)業(yè)長期依賴國外底層軟件工具鏈的不利局面。

四、構(gòu)建支持前沿技術(shù)創(chuàng)新的新型舉國體 制，有效推動(dòng)類腦計(jì)算技術(shù)“鍛長板”

類腦計(jì)算是中國具備發(fā)展基礎(chǔ)、市場需求可 觀、戰(zhàn)略意義重大的顛覆性前沿技術(shù)，應(yīng)有針對 性地構(gòu)建新型舉國體制，在穩(wěn)定支持科學(xué)研究和 技術(shù)開發(fā)的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)布局，并 盡快推動(dòng)成果轉(zhuǎn)化和商業(yè)化應(yīng)用。

一是在新一批國家重大科技項(xiàng)目布局中進(jìn)一步加大對類腦計(jì)算科技攻關(guān)的支持力度。

《“十四五”規(guī)劃和 2035 年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》提出， 在類腦智能、量子信息等前沿科技和產(chǎn)業(yè)變革領(lǐng) 域，組織實(shí)施未來產(chǎn)業(yè)孵化與加速計(jì)劃，謀劃布 局一批未來產(chǎn)業(yè)。目前，中國在量子信息、腦科 學(xué)與類腦研究等科技前沿領(lǐng)域陸續(xù)啟動(dòng)實(shí)施一批前瞻性、戰(zhàn)略性的國家重大科技項(xiàng)目，類腦計(jì)算 已被列入“腦科學(xué)與類腦研究”項(xiàng)目下屬子項(xiàng)。 從《“腦科學(xué)與類腦研究”重大項(xiàng)目 2020 年度項(xiàng) 目申報(bào)指南》的研究項(xiàng)目設(shè)置來看，在其部署的 56 項(xiàng)子課題中，與類腦計(jì)算直接相關(guān)的僅有 8 項(xiàng)。 應(yīng)在未來的“腦科學(xué)與類腦研究”重大項(xiàng)目設(shè)置 中加大類腦計(jì)算領(lǐng)域的投入力度，并鼓勵(lì)不同技 術(shù)路線的探索。

二是成立類腦計(jì)算國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，為類腦

計(jì)算提供持續(xù)研發(fā)和不斷集聚高水平人才的平 臺(tái)。中國正在以促進(jìn)前沿技術(shù)交叉融合為導(dǎo)向， 整合、重組國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室體系。類腦計(jì)算是 后摩爾時(shí)代具有重大戰(zhàn)略意義的新型計(jì)算技術(shù)， 也是典型的多學(xué)科交叉前沿技術(shù)。應(yīng)以此次國 家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室調(diào)整為契機(jī)，建立類腦計(jì)算國家 重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，加強(qiáng)學(xué)科建設(shè)，加快培養(yǎng)科學(xué)、工 程等相關(guān)人才。

三是建立多元投入機(jī)制，在有條件、有意愿 的區(qū)域布局，推動(dòng)類腦計(jì)算技術(shù)盡快落地轉(zhuǎn)化。 引導(dǎo)“國家科技成果轉(zhuǎn)化引導(dǎo)基金”對類腦計(jì) 算成果轉(zhuǎn)化提供初始投資支持，在規(guī)?；瘧?yīng)用 階段引入政策性金融和社會(huì)資本，加速面向市 場需求的類腦計(jì)算技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。對 接和鼓勵(lì)有意愿、有條件的地方政府，與類腦 計(jì)算領(lǐng)域技術(shù)領(lǐng)先的產(chǎn)學(xué)研機(jī)構(gòu)進(jìn)行合作。依 托國家發(fā)改 委“國家數(shù)字經(jīng)濟(jì)創(chuàng)新發(fā)展試驗(yàn) 區(qū)”、科技部“國家新一代人工智能創(chuàng)新發(fā)展試 驗(yàn)區(qū)”、工信部“國家人工智能創(chuàng)新應(yīng)用先導(dǎo)區(qū)” 等創(chuàng)新區(qū)域試點(diǎn)示范政策，加快類腦計(jì)算技術(shù) 的落地應(yīng)用。

四是推動(dòng)類腦計(jì)算自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)布局。支持 相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)加快建立、完善類腦計(jì)算的 理論和工程基礎(chǔ)，形成自主專利池。引導(dǎo)相關(guān)主 體在類腦計(jì)算芯片和系統(tǒng)研發(fā)過程中發(fā)展獨(dú)立自 主的工具鏈和新型 EDA（電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）工具， 逐步形成以中國類腦計(jì)算架構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用生態(tài)。

（作者系國務(wù)院發(fā)展研究中心創(chuàng)新發(fā)展研究部副研 究員）