前言

近日，華為又因被美擴大芯片供應(yīng)限制引發(fā)關(guān)注。鮮為人知的是，華為的全資子公司哈勃科技曾在2019年的時候，砸了48萬，投資了一家專注于類腦智能芯片的AI公司。類腦智能被稱為AI未來高效發(fā)展的“潛力股”，能彌補AI對于現(xiàn)實世界的感知、情況評估和決策任務(wù)能力的缺陷。近年來AI在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用十分迅猛，如醫(yī)學(xué)影像診斷、智能機器人、藥物研發(fā)等，不知類腦智能芯片未來會成長成什么樣？

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一、什么是類腦智能？

類腦智能是受大腦神經(jīng)運行機制和認(rèn)知行為機制啟發(fā)，以計算建模為手段，通過軟硬件協(xié)同實現(xiàn)的機器智能。類腦智能具備信息處理機制上類腦、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[1]。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。

1、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)實驗的分析探測技術(shù)完成。

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2、器件層次

重點在于研制模擬神經(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、類腦計算機

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3、功能層次

對類腦計算機進(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。

二、類腦智能的發(fā)展方向

眾所周知，人腦是已知的最復(fù)雜，功能強大，高效，有效，靈活和智能的信息處理系統(tǒng)。因此，人腦的功能，其結(jié)構(gòu)組織和信息處理原理應(yīng)被用作設(shè)計人工智能系統(tǒng)的原型，而不僅僅是以黑匣子的方式模擬其行為。因此，類腦智能的發(fā)展方向大致可歸納為基礎(chǔ)研究、生物性能實現(xiàn)和生物系統(tǒng)結(jié)構(gòu)建模三個方面[2]。

1、基礎(chǔ)研究

類腦研究的基礎(chǔ)是研究神經(jīng)細(xì)胞作為腦基礎(chǔ)功能單元的物理化學(xué)原理和作為最小信息處理單元的數(shù)學(xué)原理。神經(jīng)細(xì)胞的數(shù)學(xué)模型、等效電路、模擬神經(jīng)網(wǎng)電路的研究就屬于這個范疇。

2、生物性能實現(xiàn)

當(dāng)暫時無法直接從基礎(chǔ)要素的研究中解析出基本原理時，模仿生物的某一項性能也是類腦智能的一個重要研究方向。例如在研究人腦中的視覺系統(tǒng)時，通過模擬人眼的運動控制神經(jīng)系統(tǒng)及各種眼球動態(tài)響應(yīng)，從而獲得了一系列有效的機器視覺運動控制原理，可成功應(yīng)用于3D自動拍攝系統(tǒng)、雙目相機在線校準(zhǔn)等產(chǎn)品之中。人工智能算法也是僅模擬了貓大腦視覺皮層通路中信息的分層處理機制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，構(gòu)建出卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，便已經(jīng)推動了人工智能的巨大進(jìn)步。

3、生物系統(tǒng)結(jié)構(gòu)建模

為了實現(xiàn)類腦智能系統(tǒng)，首先要理解腦的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和各個腦器官的功能和特性，通過組合對應(yīng)各個腦器官基本功能的部件，搭建一套具有類似生物腦系統(tǒng)基本功能的“機器腦”，然后再逐漸改良和完善。仿生機器腦是研究自主智能系統(tǒng)的重要平臺，除智能外具備感知和操控功能，是人工智能系統(tǒng)獲得自主學(xué)習(xí)、智力演化等高級認(rèn)知能力的關(guān)鍵。

三、全球開展“腦計劃”，搶占技術(shù)制高點

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)芯片硬件和腦機接口作為重要技術(shù)趨勢。現(xiàn)在，全球主要發(fā)達(dá)地區(qū)的國家、研究機構(gòu)和科技企業(yè)都已紛紛進(jìn)入類腦智能的研究領(lǐng)域，并已投入相當(dāng)可觀的資金以供其蓬勃發(fā)展。

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美國“使用先進(jìn)革新型神經(jīng)技術(shù)的人腦研究計劃”（BRAIN）旨在理解人類思想、動機、情感的產(chǎn)生過程，帶動新型疾病療法的開發(fā)和高科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展；歐盟“人腦計劃”（HBP）依托信息通訊技術(shù)（ICT），把認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)和計算數(shù)字模擬結(jié)合起來，實現(xiàn)大腦系統(tǒng)的人工模擬，發(fā)展高性能計算機、醫(yī)學(xué)信息學(xué)、神經(jīng)形態(tài)工程、智能機器人等應(yīng)用產(chǎn)業(yè)；日本“使用神經(jīng)技術(shù)的腦科學(xué)疾病研究計劃”（Brain/MINDS）目標(biāo)為降低和消除神經(jīng)精神疾病的社會負(fù)擔(dān)[3]。

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我國神經(jīng)科學(xué)和類腦人工智能發(fā)展規(guī)劃可分為7大領(lǐng)域，實施“3+2+2”領(lǐng)域模式，包括3大重點方向：基礎(chǔ)神經(jīng)生物學(xué)、神經(jīng)精神性疾病、類腦人工智能；2大支撐性領(lǐng)域：變革性神經(jīng)科學(xué)技術(shù)、支撐平臺；以及2大產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域：神經(jīng)生物醫(yī)藥及生物醫(yī)學(xué)工程、人工智能產(chǎn)業(yè)[4]。

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中國腦計劃有著一些獨特的亮點：中國腦計劃把腦疾病和腦啟發(fā)的人工智能放在特別優(yōu)先的位置；中國的各種腦疾病人數(shù)是世界上最多的，這使得對于腦疾病的預(yù)防、早期診斷和早期干預(yù)的研究尤其緊迫，同時也為研究提供了最大的數(shù)據(jù)支撐；現(xiàn)在人們愈加發(fā)現(xiàn)要想理解人類的高等認(rèn)知功能（如思維和意識），以及腦疾病（特別是精神疾病），非人靈長類可能是更合適的實驗動物模型。中國有著豐富的獼猴資源，并且在用獼猴建立人類疾病模型的研究上快速發(fā)展。這使得中國在研究高級認(rèn)知功能，如共情、意識和語言，以及腦疾病的病理機制和干預(yù)手段方面，可能做出獨特的貢獻(xiàn)。

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四、類腦智能的應(yīng)用技術(shù)

全球頂尖技術(shù)公司、大學(xué)和科研機構(gòu)都相繼加入了類腦計算和類腦智能的布局。

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1、微軟：OpenAI

2020年7月，微軟在OpenAI上投資10億美元用以開發(fā)類腦智能的新技術(shù)，OpenAI將幫助其為Azure云計算服務(wù)聯(lián)合開發(fā)和培訓(xùn)新的AI技術(shù)。它還將與之合作開發(fā)新的超級計算硬件，以嘗試實現(xiàn)AGI，即具有像人類一樣學(xué)習(xí)任務(wù)的能力的機器[5]。

OpenAI可以利用微軟的超級計算和云計算技術(shù)來構(gòu)建人工智能（AGI）

2、新西蘭奧克蘭科技大學(xué)：NeuCube

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新西蘭奧克蘭科技大學(xué)（AUT）的Nik Kasabov教授開發(fā)了一個突破性的機器學(xué)習(xí)系統(tǒng)NeuCube。NeuCube的框架和計算體系結(jié)構(gòu)能夠創(chuàng)建智能系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的統(tǒng)計和機器學(xué)習(xí)方法相比，該系統(tǒng)在以下方面顯示出了優(yōu)異的結(jié)果：1）更好的數(shù)據(jù)分析和分類/回歸準(zhǔn)確性（降低了10％到40％） ; 2）可能使用VR，更好地可視化創(chuàng)建的模型；3）更好地理解所測數(shù)據(jù)和過程；4）通過有意義的模型解釋實現(xiàn)新的信息和知識發(fā)現(xiàn)。目前，NeuCube已經(jīng)在全球25個實驗室中使用，并與歐盟和中國開展許多重大的國際AI項目，其中包括220萬歐元的名為PANTHER的研究交換項目[6]。

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用于時空腦數(shù)據(jù)（STBD）建模的NeuCube架構(gòu)

3、清華大學(xué)：天機芯

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2019年8月，清華大學(xué)類腦計算研究中心施路平團隊研發(fā)的第二代“天機芯”（Tianjic）登上了《自然》（Nature）封面。天機芯片是面向人工通用智能的世界首款異構(gòu)融合類腦計算芯片。其具有計算存儲融合和去中心化的眾核架構(gòu)，每塊芯片含有156個計算功能核，約合四萬神經(jīng)元和千萬突觸。它不僅能夠支持計算機科學(xué)導(dǎo)向的機器學(xué)習(xí)算法和神經(jīng)科學(xué)導(dǎo)向的神經(jīng)形態(tài)計算模型的獨立部署，還能夠支持兩者的異構(gòu)建模，為發(fā)展人工通用智能提供了一個計算平臺[7]。?

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天機芯片單片（左）和5x5陣列擴展板（右）

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研究人員在一輛無人駕駛自行車上驗證了這一芯片的能力。搭載“天機芯”的自行車，實現(xiàn)了實時視覺目標(biāo)探測、目標(biāo)追蹤、自動過障和避障、自適應(yīng)姿態(tài)控制、語音理解控制、自主決策等功能。

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自動行駛自行車演示平臺

結(jié)語

作為人工智能的技術(shù)發(fā)展路徑之一，以認(rèn)知仿生驅(qū)動的類腦智能是一個非常有前途的領(lǐng)域，具有巨大的潛力。但該領(lǐng)域目前仍處于起步階段，類腦智能的想要成為AI的主流應(yīng)用方向還有很長的路要走。關(guān)于大腦功能的許多秘密還有待一一揭開，機器算法和科學(xué)方法論的壁壘也必將因為類腦智能的快速發(fā)展而被逐一打破。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，工程師將必須與腦科學(xué)家和生命科學(xué)家攜手合作，并開展緊密合作的研究。相信在大數(shù)據(jù)技術(shù)和新一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等基礎(chǔ)技術(shù)的支撐下，類腦智能應(yīng)用的研發(fā)將會推動我國科技創(chuàng)新實力的發(fā)展。

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