想主導(dǎo)世界經(jīng)濟(jì)？必須在類腦計(jì)算這個(gè)領(lǐng)域領(lǐng)先丨CCF-GAIR 2019

雷鋒網(wǎng) AI 科技評(píng)論按：「誰(shuí)要想主導(dǎo)世界經(jīng)濟(jì)，誰(shuí)必須在類腦計(jì)算這個(gè)領(lǐng)域領(lǐng)先」。

我們都知道，當(dāng)前計(jì)算機(jī)技術(shù)主要面臨著兩個(gè)重要瓶頸：

• 「馮諾依曼」架構(gòu)導(dǎo)致的能效低下——運(yùn)算單元和存儲(chǔ)單元分離，大部分能量和時(shí)間都消耗在數(shù)據(jù)的讀取和存儲(chǔ)過(guò)程中；并且數(shù)據(jù)處理是基于串行結(jié)構(gòu)，即同一時(shí)刻只能執(zhí)行一個(gè)任務(wù)。

• 摩爾定律失效

而借鑒人腦發(fā)展的類腦計(jì)算技術(shù)，被認(rèn)為是應(yīng)對(duì)以上挑戰(zhàn)的重要替代方案——在進(jìn)行學(xué)習(xí)和認(rèn)知等復(fù)雜計(jì)算時(shí)，人腦的功耗只有 20 瓦；而目前最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)模擬人腦功能，功耗也將高達(dá) 800 萬(wàn)瓦以上，速度還比人腦慢 1000 倍以上。這是因?yàn)楝F(xiàn)代計(jì)算機(jī)一般使用固定的數(shù)字化的程序模型，同步、串行、集中、快速、具有通用性地處理問(wèn)題，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與計(jì)算過(guò)程在不同地址空間完成。而與之形成鮮明對(duì)比的是，人的大腦會(huì)重復(fù)利用神經(jīng)元，并突觸、異步、并行、分布式、緩慢、不具通用性地處理問(wèn)題，是可重構(gòu)的、專門的、容錯(cuò)的生物基質(zhì)，并且人腦記憶數(shù)據(jù)與進(jìn)行計(jì)算的邊界是模糊的。

換句話說(shuō)，類腦計(jì)算（Brain-like computing）系統(tǒng)是一種基于神經(jīng)形態(tài)工程 、借鑒人腦信息處理方式 、 打破「馮諾依曼」架構(gòu)束縛、適于實(shí)時(shí)處理非結(jié)構(gòu)化信息、具有學(xué)習(xí)能力的超低功耗新型計(jì)算系統(tǒng)。

與經(jīng)典人工智能符號(hào)主義、連接主義、行為主義以及機(jī)器學(xué)習(xí)的統(tǒng)計(jì)主義這些技術(shù)路線不同，類腦計(jì)算采取的是仿真主義：

• 結(jié)構(gòu)層次模仿腦（非馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)）

• 器件層次逼近腦（神經(jīng)形態(tài)器件替代晶體管）

• 智能層次超越腦（主要靠自主學(xué)習(xí)訓(xùn)練而不是人工編程）

因此，類腦計(jì)算試圖建立一個(gè)類似的架構(gòu)，使得計(jì)算機(jī)也能保持類腦的復(fù)雜性，達(dá)到可處理小數(shù)據(jù) & 小標(biāo)注問(wèn)題、適用于弱監(jiān)督和無(wú)監(jiān)督問(wèn)題、關(guān)聯(lián)分析能力強(qiáng)、魯棒性強(qiáng)、計(jì)算資源消耗較少、具備認(rèn)知推理能力、時(shí)序相關(guān)性好、可能解決通用場(chǎng)景問(wèn)題的目的，最終實(shí)現(xiàn)強(qiáng)人工智能和通用智能。

「誰(shuí)要想主導(dǎo)世界經(jīng)濟(jì)，誰(shuí)必須在類腦計(jì)算這個(gè)領(lǐng)域領(lǐng)先」

類腦計(jì)算，被視為未來(lái)信息技術(shù)最具有發(fā)展前景的重要領(lǐng)域之一，正如歐盟人腦旗艦研究計(jì)劃所指出的：

「在未來(lái) 20 到 30 年內(nèi)，誰(shuí)要想主導(dǎo)世界經(jīng)濟(jì)，誰(shuí)必須在類腦計(jì)算這個(gè)領(lǐng)域領(lǐng)先」

近 20 年來(lái)，類腦計(jì)算等腦科學(xué)成為發(fā)展最快的學(xué)科之一，美國(guó)、日本、德國(guó)、英國(guó)、瑞士等發(fā)達(dá)國(guó)家率先制定了發(fā)展計(jì)劃：

美國(guó)《BRAIN 計(jì)劃》

2013 年 4 月 2 日，美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬宣布啟動(dòng)名為「通過(guò)推動(dòng)創(chuàng)新型神經(jīng)技術(shù)開展大腦研究（Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies）」的科研計(jì)劃，首年投入 1 億美元資助該計(jì)劃向前推進(jìn)。

該項(xiàng)目最重要的一個(gè)任務(wù)，是繪制出人腦活動(dòng)圖譜（Brain Activity Map，BAM）。雖然人腦看上去平平無(wú)奇，實(shí)際上里頭卻有近 1000 億個(gè)神經(jīng)元，形成 100 萬(wàn)億個(gè)突觸。神經(jīng)科學(xué)家嘗試捕捉和測(cè)量的「動(dòng)態(tài)神經(jīng)突觸和活動(dòng)」需要龐大的計(jì)算能力和強(qiáng)大的技術(shù)支持，也就意味著需要巨改投資。為此，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究項(xiàng)目局（DARPA）投入約 5 000 萬(wàn)美元，重點(diǎn)探索大腦的動(dòng)力學(xué)方面（dynamic function of the brains）的功能，并基于這些發(fā)現(xiàn)開創(chuàng)新應(yīng)用；美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院（NIH）投入約 4 000 萬(wàn)美元，重點(diǎn)開發(fā)研究大腦的新技術(shù)；而美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）投入約 2000 萬(wàn)美元，支持跨學(xué)科研究大腦，包括物理學(xué)、生物學(xué)、社會(huì)學(xué)和行為科學(xué)。

官網(wǎng)：https://braininitiative.nih.gov/

歐盟《人腦計(jì)劃》

2013 年歐盟推出了由 15 個(gè)歐洲國(guó)家參與、預(yù)期 10 年的「人腦計(jì)劃」，目標(biāo)是開發(fā)信息和通信技術(shù)平臺(tái)，致力于神經(jīng)信息學(xué)、大腦模擬、高性能計(jì)算、醫(yī)學(xué)信息學(xué)、神經(jīng)形態(tài)的計(jì)算和神經(jīng)機(jī)器人研究。該項(xiàng)目側(cè)重于通過(guò)超級(jí)計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)模擬腦功能，以實(shí)現(xiàn)人工智能。

該計(jì)劃是迄今為止歐洲資助的最大研究項(xiàng)目之一，也是該領(lǐng)域最全面的研究項(xiàng)目之一。HBP 項(xiàng)目分為三個(gè)重要階段：

• 快速啟動(dòng)階段（2013 年 10 月-2016 年 3 月）

專注于信息與通信技術(shù)平臺(tái)初始版本的建立，并為該平臺(tái)收集篩選過(guò)的戰(zhàn)略數(shù)據(jù)。

• 計(jì)劃的運(yùn)作階段（2016 年 4 月-2018 年 8 月）

進(jìn)一步加強(qiáng)數(shù)據(jù)的收集以及平臺(tái)新功能的補(bǔ)充，并積極展示該 ICT 平臺(tái)在對(duì)人腦的基礎(chǔ)研究、醫(yī)療應(yīng)用和未來(lái)計(jì)算技術(shù)方面所帶來(lái)的成果。

• 穩(wěn)定階段（最后三年）

繼續(xù)上一階段的工作，并將人腦計(jì)劃發(fā)展成為腦科學(xué)研究領(lǐng)域的永久性資產(chǎn)。

官網(wǎng)：https://www.humanbrainproject.eu/en/

中國(guó)腦計(jì)劃

 

中國(guó)腦計(jì)劃制定為 15 年計(jì)劃（2016-2030 年），前五年與中國(guó)「十三五」國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展規(guī)劃綱要相吻合，將面向世界智能科技前沿和「健康中國(guó) 2030」的戰(zhàn)略需要，發(fā)展我國(guó)腦科學(xué)、類腦技術(shù)，從認(rèn)識(shí)腦、保護(hù)腦和模擬腦三個(gè)方向展開研究，逐步形成以腦認(rèn)知功能的解析和技術(shù)平臺(tái)為一體，以認(rèn)知障礙相關(guān)重大腦疾病診治和類腦計(jì)算與腦機(jī)智能技術(shù)為兩翼的「一體兩翼」研究布局。

中國(guó)腦計(jì)劃的「一體」是指腦認(rèn)知功能的神經(jīng)基礎(chǔ)，包含模式動(dòng)物全腦圖譜繪制、認(rèn)知功能神經(jīng)環(huán)路研究和腦研究創(chuàng)新技術(shù)平臺(tái)三個(gè)方面。而「兩翼」，一是指如何診斷和治療重要腦疾病，包括幼年期自閉癥和智障、中年期抑郁癥和成癮、老年期的退行性腦疾病；二是指發(fā)展人工智能與腦科學(xué)結(jié)合的腦機(jī)智能技術(shù)，主要包括腦機(jī)接口和腦機(jī)融合新模型、新方法，新一代人工網(wǎng)絡(luò)計(jì)算模型和類腦計(jì)算系統(tǒng)。

下一個(gè)突破點(diǎn)？

目前，國(guó)際上類腦計(jì)算研究已經(jīng)取得顯著進(jìn)展，技術(shù)探索階段已經(jīng)過(guò)去，技術(shù)預(yù)研已經(jīng)開始，一些關(guān)鍵技術(shù)獲得突破，相關(guān)的技術(shù)原型和系統(tǒng)原型已開發(fā)成功。2014 年，美國(guó)《科學(xué)》周刊已將「IBM 推出模仿人類大腦的芯片」列為年度十大科學(xué)突破之一。類腦計(jì)算必將成為未來(lái)非傳統(tǒng)高性能計(jì)算的重要發(fā)展方向。

總的來(lái)說(shuō)，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。基礎(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(wú)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(duì)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(yǔ)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。 

對(duì)于類腦計(jì)算研究的未來(lái)走向，清華大學(xué)類腦計(jì)算研究中心主任施路平曾如此總結(jié)道：

類腦計(jì)算的研究基于三個(gè)層次。在核心芯片層面，要建立類腦信息處理的普適平臺(tái)；在操作系統(tǒng)層面，要引領(lǐng)類腦智能技術(shù)的發(fā)展方向；在應(yīng)用軟件層面，要防止信息產(chǎn)業(yè)空心化。

       

施路平

對(duì)于類腦計(jì)算與當(dāng)下最熱門的深度學(xué)習(xí)的區(qū)別，北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院教授吳思也做了相應(yīng)補(bǔ)充：

對(duì)比靜態(tài)的深度學(xué)習(xí)，神經(jīng)信息處理的一大特點(diǎn)是動(dòng)態(tài)地處理動(dòng)態(tài)的信息，神經(jīng)信息處理的動(dòng)態(tài)法則包括動(dòng)態(tài)編碼、時(shí)間延遲補(bǔ)償、運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)跟蹤、時(shí)空模式識(shí)別、時(shí)間節(jié)律編碼、反饋調(diào)節(jié)等，我們可以借此發(fā)展出一些類腦應(yīng)用算法。

      

吳思

中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所余山研究員也從算法的角度給出了自己的見解：

生物腦的學(xué)習(xí)過(guò)程并非從零開始，而是從學(xué)習(xí)之初，就擁有并運(yùn)用了重要的先驗(yàn)知識(shí)，這包含了物種在進(jìn)化過(guò)程中學(xué)到的（生物學(xué)稱之為系統(tǒng)發(fā)生），以及個(gè)體在生活過(guò)程中學(xué)到的有關(guān)真實(shí)世界的關(guān)鍵知識(shí)。讀取這些知識(shí)，以及借鑒如何將這些知識(shí)作為先驗(yàn)信息注入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)從而實(shí)現(xiàn)小樣本學(xué)習(xí)，可能會(huì)是神經(jīng)科學(xué)以及類腦算法設(shè)計(jì)中一個(gè)富于成果的領(lǐng)域。

余山

從硬件的角度而言，由中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所超晶格國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室高速圖像傳感及信息處理課題組副研究員劉力源等研制出面向 860GHz CMOS 太赫茲圖像傳感器的像素器件，大大提升了我國(guó)在太赫茲成像領(lǐng)域的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力——太赫茲波成像技術(shù)作為一種新型無(wú)損成像技術(shù)正在興起，在生物醫(yī)學(xué)、醫(yī)療診斷、安全檢測(cè)、危險(xiǎn)物品檢查、隱形武器探測(cè)、材料表征和探傷等科學(xué)研究以及日用領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景，已成為各國(guó)爭(zhēng)相研究的熱點(diǎn)技術(shù)。

劉力源

而對(duì)于類腦計(jì)算的前景，中國(guó)科學(xué)院計(jì)算所副研究員趙地表示充滿了信心：

神經(jīng)形態(tài)芯片計(jì)算能力顯著提高，能耗和體積卻要小得多，更為智能的小型機(jī)器或?qū)⒁I(lǐng)計(jì)算機(jī)微型化和人工智能的下一階段。

  

趙地

而上述提到的五位類腦計(jì)算專家，將會(huì)出現(xiàn)在 7 月 13 日舉行的 CCF-GAIR 2019 類腦計(jì)算專場(chǎng)上，與大家共同探討中國(guó)類腦計(jì)算的未來(lái)。中國(guó)要想奪得類腦計(jì)算的「入場(chǎng)券」，需要更多的有識(shí)之士來(lái)為這個(gè)領(lǐng)域「添磚加瓦」，這是 CCF-GAIR 2019 設(shè)立類腦計(jì)算專場(chǎng)的初衷。

屆時(shí)，在主持人中國(guó)科學(xué)院計(jì)算所副研究員趙地的引領(lǐng)下，清華大學(xué)類腦計(jì)算研究中心主任施路平、北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院教授吳思、中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所研究員余山、中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所副研究員劉力源將帶來(lái)五場(chǎng)精彩紛呈的主題報(bào)告，帶領(lǐng)大家走進(jìn)類腦計(jì)算的最前沿。

專場(chǎng)議程：

嘉賓陣容：

全球人工智能與機(jī)器人峰會(huì)（CCF-GAIR） 由中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)（CCF）主辦，雷鋒網(wǎng)、香港中文大學(xué)（深圳）承辦，得到了深圳市政府的大力指導(dǎo)，是國(guó)內(nèi)人工智能和機(jī)器人學(xué)術(shù)界、工業(yè)界及投資界三大領(lǐng)域的頂級(jí)交流博覽盛會(huì)，旨在打造國(guó)內(nèi)人工智能領(lǐng)域極具實(shí)力的跨界交流合作平臺(tái)。更多關(guān)于大會(huì) & 購(gòu)票的詳情，歡迎登陸 https://gair.leiphone.com/gair/gair2019 進(jìn)行查看。

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