繆峰：用類腦計算，讓AI算力加速“奔跑”

推開南京大學（以下簡稱南大）物理學院一間實驗室的門，只見一輛小車沿著地面黑白相間的軌道中央勻速自動行駛，時而環(huán)行、時而轉彎，從容自若。

小車“自動行駛”的奧秘隱藏在車頂一塊指甲蓋大小的類腦處理器上?！邦惸X處理器的并行計算能力，可以直接處理傳感器收集的模擬信號并驅動小車。小車的響應速度可以提高約1000倍，而功耗可以降低100—1000倍。”5月28日，南大教授繆峰用這番場景，解釋類腦計算的潛力。

人腦的神經結構具有強大的信息處理能力，即使做大量的腦力活動，也只有20瓦左右的功耗?？姺逖芯康闹饕獌热?，就是模擬人腦神經元的結構來設計類腦器件和電路，以提升算力、降低功耗。十年來，繆峰團隊利用“原子樂高”結構，設計出耐高溫憶阻器、彈道雪崩探測器件、室溫高靈敏紅外探測器等器件，并獲得包括中國物理學會“黃昆物理獎”，國際先進材料學會IAAM獎章等獎項。

“前不久，習近平總書記給南大留學歸國的青年學者回信，讓我倍感振奮，我會牢記總書記囑托，傳承程開甲等老一輩科學家的精神，為實現(xiàn)高水平科技自立自強而不懈奮斗。”繆峰說。

用類腦器件搭出神經形態(tài)計算的未來

十年前繆峰回國時，一場有關類腦計算的前沿探索，剛剛拉開序幕。想實現(xiàn)真正意義上的神經形態(tài)計算，需要找到合適的材料、設計類腦器件結構、構建基于新器件的硬件系統(tǒng)。

“當時國內外沒有經驗可以借鑒，最初三四年，我們反復摸索材料和器件的熱穩(wěn)定性和可靠性，原理明明都對，但器件就是不能工作，沮喪時也曾懷疑技術路線是否可行?！敝涟禃r刻，繆峰不曾放棄。2018年，團隊在世界上首次研發(fā)出基于全二維材料的、可耐受超高溫和強應力的高魯棒性憶阻器。

如果說科研的挑戰(zhàn)吸引他不斷探尋未知的邊界，那么生活中的小意外也激勵他用科學的力量挑戰(zhàn)極限。

讀大學時，繆峰的家人患上眼疾，這讓他第一次認真地關注到眼睛的結構。多年以后，這觸發(fā)了他研究類腦視覺傳感器的靈感：“在人腦處理的信息中，超過80%都是通過眼睛獲得的。人眼不僅可以進行信息的探測和同步處理，而且整體功耗極小。構建一個可以媲美人眼、能同步進行信息探測和處理的類腦視覺傳感器，也許在智能工業(yè)、自動駕駛、智能安防等領域都有應用前景。”

2020年，繆峰和團隊構建出一個類腦視覺傳感器。他介紹，“我們像‘搭樂高一樣，在原子世界里，將二硒化鎢、氮化硼等性質迥異的多種二維材料按照不同的順序堆垛，制備成垂直異質結器件。這不僅能模仿視網膜的垂直分層結構，而且不同的二維材料還可模擬視網膜中不同細胞的功能?！?/p>

在這項研究中，器件的響應時間和功耗均接近人類視網膜的水平——響應時間小于10毫秒，功耗小于10納瓦?；诖似骷瑘F隊還進一步構建了一套 “類腦視覺原型系統(tǒng)”，實現(xiàn)了對大規(guī)模輸入圖像的快速識別。

希望拓展神經形態(tài)計算技術的上限

如何利用新的計算硬件和計算方案來實現(xiàn)大規(guī)模并行計算，從而不斷提升信息處理速度，是未來計算領域里一個廣受關注的議題。

2021年，繆峰教授合作團隊首次提出迄今最高并行度的神經形態(tài)類腦計算方案，成功實現(xiàn)了對16張字母圖片的并行讀取、并行識別、與識別結果無線傳輸?shù)墓δ苎菔尽?/p>

繆峰解釋，“傳統(tǒng)的基于交叉陣列的神經形態(tài)計算方案一般使用直流或脈沖電信號，每路信號只能表示向量中的單一數(shù)值，無法提高并行度；而我們在每個固定頻率的峰值上都加載了數(shù)據(jù)的信號，這樣每路信號就升級為頻率空間的一串數(shù)值。在多路信號輸入時，就可以從一個簡單的向量輸入，升級成頻率空間的矩陣輸入，那運算的并行度就顯著提升了。而且，硬件陣列的規(guī)模越大，并行度越高。”

從設計器件結構，到實現(xiàn)大規(guī)模并行計算，理論研究的突破讓繆峰越發(fā)篤定類腦計算的未來。眼下，他正嘗試在圖像識別、輔助駕駛等領域，推動技術的產業(yè)化。

“在探索神經形態(tài)計算技術上限的路上，能不能靠計算方案的創(chuàng)新，就能修煉出特別厲害的‘分身術？”這是現(xiàn)在的繆峰時常思考的一個問題。

2021年，《科學》雜志曾公布125個科學問題，其中包括“計算機處理速度是否有上限”？

“我們希望能為回答這個問題提供新的思路，也希望能為填補海量數(shù)據(jù)計算需求面臨的算力缺口，提供可行的技術途徑和科學基礎。”這是繆峰向自己提出的一個挑戰(zhàn)，也是他對未來的一份承諾。