首提新概念，清華研發(fā)類腦計(jì)算機(jī)

清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系張悠慧團(tuán)隊(duì)和精儀系施路平團(tuán)隊(duì)與合作者10月14日在《自然》雜志發(fā)表題為《一種類腦計(jì)算系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)》的論文，首次提出“類腦計(jì)算完備性”以及軟硬件去耦合的類腦計(jì)算系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)，填補(bǔ)了這一領(lǐng)域的空白。這是一年多來(lái)，清華在類腦計(jì)算領(lǐng)域繼“天機(jī)芯”和“多陣列憶阻器存算一體系統(tǒng)”之后于《自然》正刊發(fā)表的第三篇成果，也是計(jì)算機(jī)系以第一完成單位發(fā)表的首篇《自然》論文，目前，清華正在開發(fā)第三代“天機(jī)芯”以及新型類腦計(jì)算機(jī)。 pQMtj0(y  
Q6IQV0{p  
近年來(lái)，類腦計(jì)算研究受到了越來(lái)越多的關(guān)注。類腦計(jì)算，是借鑒生物神經(jīng)系統(tǒng)信息處理模式和結(jié)構(gòu)的計(jì)算理論、體系結(jié)構(gòu)、芯片設(shè)計(jì)以及應(yīng)用模型與算法的總稱。類腦計(jì)算處于起步階段，國(guó)際上尚未形成公認(rèn)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與方案。 \hlR]m!C  
Rrg8{DZhv  
與通用計(jì)算機(jī)的“圖靈完備性”概念與“馮諾依曼”體系結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)，本次研究首次提出“類腦計(jì)算完備性”以及軟硬件去耦合的類腦計(jì)算系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)，通過理論論證與原型實(shí)驗(yàn)證明該類系統(tǒng)的硬件完備性與編譯可行性，并擴(kuò)展了類腦計(jì)算系統(tǒng)應(yīng)用范圍使之能支持通用計(jì)算。本次研究成果填補(bǔ)了完備性理論與相應(yīng)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)方面的空白，利于自主掌握新型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)核心技術(shù)。 ]u#JuX  
S:q$?$  
現(xiàn)有類腦計(jì)算系統(tǒng)方面的研究多聚焦于具體芯片、工具鏈、應(yīng)用和算法的創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)，而對(duì)系統(tǒng)基礎(chǔ)性問題，例如計(jì)算完備性、系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)等思考不足，導(dǎo)致軟硬件緊耦合、應(yīng)用范圍不明確等一系列問題。但從現(xiàn)有通用計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史與設(shè)計(jì)方法論來(lái)看，完善的計(jì)算完備性與軟硬件去耦合的層次結(jié)構(gòu)是計(jì)算系統(tǒng)蓬勃發(fā)展的計(jì)算理論與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。 '9s5OTkN ;  
^N{ltgQY  
為此，研究團(tuán)隊(duì)提出了“類腦計(jì)算完備性”（也稱為神經(jīng)形態(tài)完備性）概念——針對(duì)任意給定誤差≥0和任意圖靈可計(jì)算函數(shù)f(x)，如果一個(gè)計(jì)算系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)函數(shù) F(x) 使得 ‖F(xiàn)(x)-f(x)‖≤對(duì)所有合法的輸入x均成立，那么該計(jì)算系統(tǒng)是類腦計(jì)算完備的。 <*|?x86~  
99=s4*xzM  
“通俗來(lái)講，‘完備性’可以回答系統(tǒng)能夠完成什么、功能邊界在哪里等問題。研究完備性，可以為軟硬件系統(tǒng)的解耦合、劃分不同研究領(lǐng)域間的任務(wù)分工與接口提供理論基礎(chǔ)，我們的研究聚焦完備性理論研究，先回答基本的問題。”清華計(jì)算機(jī)系研究員張悠慧說。 ""{|3XJe  
-Xz&}QA  
0:&ZnE}##  
相對(duì)于通用計(jì)算機(jī)，這一定義放松了對(duì)系統(tǒng)計(jì)算過程和精度的約束。團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步提出相應(yīng)的類腦計(jì)算機(jī)層次結(jié)構(gòu)和確保類腦計(jì)算完備性的硬件原語(yǔ)（相當(dāng)于通用處理器的機(jī)器指令）來(lái)充分利用這一新完備性帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。該結(jié)構(gòu)具有三個(gè)層次：圖靈完備的軟件模型；類腦計(jì)算完備的硬件體系結(jié)構(gòu)；位于兩者之間的編譯層；并設(shè)計(jì)構(gòu)造性轉(zhuǎn)化算法將任意圖靈可計(jì)算函數(shù)轉(zhuǎn)換為類腦計(jì)算完備硬件上的模型。 #z!^<,  
PWB(5 f?  
近年來(lái)，清華類腦計(jì)算研究中心提出了符合腦科學(xué)基本規(guī)律的新型類腦計(jì)算架構(gòu)——異構(gòu)融合的天機(jī)類腦計(jì)算芯片架構(gòu)，可同時(shí)支持計(jì)算機(jī)科學(xué)和神經(jīng)科學(xué)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，發(fā)揮它們各自的優(yōu)勢(shì)。目前“天機(jī)芯”已發(fā)展到第三代，為學(xué)界提供了一個(gè)發(fā)展人工通用智能的平臺(tái)和思路，將促進(jìn)人工通用智能研究、賦能各行各業(yè)。 v>A=2i*j  
&<5+!cV=  

Sm-wH^~KA  
清華天機(jī)芯片驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)駕駛自行車曾一度刷屏，被網(wǎng)友戲稱為“自行車成精了” ifK%6o6  
J:j<"uPm  
其中，第一代“天機(jī)芯”于2015年6月成功流片，該芯片首次將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行異構(gòu)融合，同時(shí)兼顧技術(shù)成熟并被廣泛應(yīng)用的深度學(xué)習(xí)模型與未來(lái)具有巨大前景的計(jì)算神經(jīng)科學(xué)模型。 C`V)VJM  
,RxYd6  
第二代“天機(jī)芯”即為發(fā)表于去年8月1日《自然》封面文章上的成果，具有高速度、高性能、低功耗的特點(diǎn)。 -x`G2i  
(\a6H2z8l  
目前，中心正在開發(fā)第三代“天機(jī)芯”以及新型類腦計(jì)算機(jī)。而基于現(xiàn)有“天機(jī)芯”的天機(jī)類腦計(jì)算機(jī)是一款能夠滿足類腦智能應(yīng)用需求的普適類腦計(jì)算系統(tǒng)，主要包括系統(tǒng)架構(gòu)、類腦處理器單元、軟件工具鏈、輸入輸出子系統(tǒng)、類腦計(jì)算機(jī)加載測(cè)試環(huán)境等，一代樣機(jī)可以對(duì)36路異步視頻輸入進(jìn)行1000 幀/秒的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理。 (*\jbK
 
~u87H?