这辆“自行”车的“大脑”为何登上Nature封面?-深度-知识分子

这辆“自行”车的“大脑”为何登上Nature封面?

2019/08/03
导读
芯片研发成本过亿

在操场上,一辆无人驾驶的自行车不仅能跟踪目标、自动避障,还能稳稳地保持平衡,仿佛有人在上面骑行一样,这不是发生了灵异事件,而是它被装上了“大脑”——一粒小小的类脑芯片。


(图源:清华大学类脑研究中心)


撰文 | 李薇达

编辑 | 金庄维


这一安装在自行车后座,仅有指甲盖大小的神奇芯片——天机芯(Tianjic chip)是由清华大学类脑计算中心研发,它让无人智能自行车拥有了自平衡、动态感知、目标探测、跟踪、自动避障、语音交互、自主决策等功能。而关于这一研究的论文《面向人工通用智能的异构天机芯片架构》(《Towards artificial general intelligence with hybrid Tianjic chip architecture》)也于8月1日发表于著名科学杂志Nature,并登上封面。


天机芯的产生

当前人工智能存在两条技术发展路径:一条面向计算机科学,即以模型学习驱动的数据智能;另一条面向神经科学,即以认知仿生驱动的类脑智能。


现阶段人工智能发展的主流技术路线是数据智能,但是数据智能存在一定局限性,比如需要海量数据和高质量的标注,高度依赖于模型构建,计算资源消耗比较大等等。清华大学类脑计算研究中心主任施路平也介绍道:“目前的计算机系统可以完成我们认为很难的事情,而我们认为很简单的事情,计算机却无法完成,因为它没有应变能力。” 

而类脑智能可以解决数据智能的局限性和不足。本质上来说,它在信息处理机制上与大脑相似、在认知行为和智能水平上与人类相似。因此,它可以处理小数据、小标注问题,计算资源消耗较少,并且自主学习、关联分析能力强。它的最终目标是通过借鉴脑神经结构和信息处理机制,使机器以类脑的方式实现各种人类认知能力及协同机制,达到或超越人类的智能水平。

不过,要加速发展人工智能,最好能将这两者结合起来。但由于两条路径依赖于不同且不兼容的平台,一个能够支持两者的通用平台就显得非常有必要。于是,天机芯应运而生。它既可支持脑科学(仿脑)的脉冲神经网络,比如具有时序性的自然语言理解、事件判断,又可支持由计算机科学主导的人工神经网络,比如空间上的图像识别应用。它还具有高速度、高性能、低功耗的特点。


天机芯登上Nature封面(图源:Nature


这项工作为何能登上科学顶刊Nature的封面?北京大学信息科学技术学院教授黄铁军告诉“赛先生”:其实NatureScience也关注重大技术创新,例如2014年Science刊登IBM的脉冲神经网络芯片TrueNorth,2016年Nature刊登AlphaGo围棋,都是技术创新。“天机”芯片也是如此。

黄铁军指出,这篇封面文章的亮点在于“双控制:集成类脑电路和机器学习处理的异构AI芯片”,强调的是脉冲神经网络(类脑电路)和深度神经网络(机器学习过程)的结合,在一颗芯片内实现,并且在无人自行车上进行了功能验证。脉冲神经网络发展潜力更大,但是目前还不像深度学习那样取得了轰动的效果,所以把两者结合,实现典型功能验证,是当前阶段比较现实的选择。这项成果已经进行数年,是多个院系合作的结果,而这篇论文是第一次完整展示所有技术细节。


中科院计算所研究员韩银和向“赛先生”表示,这项工作将类脑智能和人工神经网络混合了起来,但还没有做到融合。多模融合是个重要的可能性探索,目前大家都在这个方向上探索。

天机芯的应用


第一代天机芯片于2015年成功研发并应用于无人驾驶“自行”车。(视频来源:清华大学类脑研究中心)


视频中这辆“聪明的”无人自行车,对于天机芯来说只是一个载体。灵汐公司副总经理梅迪透露这辆车如果不算芯片,造价40万,但芯片的研发成本却过亿元。


虽然芯片成本高昂,前景却十分乐观。灵汐科技公司(清华大学类脑计算中心科技成果转化项目)市场总监华宝洪表示,天机芯的下一代产品将实现产业化,高中低档芯片产品和配套软件工具链最早将于今年年底面世,并且应用于自动驾驶等交通领域。如通过控制车辆的前端摄像头所捕捉的图像信号来判断前方的各种交通标志、行人、障碍物、宠物或与前车的车距,为自动驾驶车辆提供决策平台。另外,它还可用于交通路口信号灯的控制——通过对不同时间段交通流量的分析计算来判断出如何分配才能让交通更加畅通,辅助交通规划与出行。

在智慧教育中,芯片也将发挥重要作用:它不仅能识别语音,还能理解语义,了解上课的内容和重点,从而进行辅助教学。

各国情况


施路平教授展示类脑中心代表性科技成果(图源:清华大学类脑研究中心)


施路平教授曾表示,“目前类脑计算没有公认的技术方案,机遇千载难逢,大有可为”。在这一领域,各国都高度重视积极布局。

  • 美国于2013年启动“BRAIN计划”,将大脑结构图建立、类脑相关理论建模、脑机接口等列为研发重点。
  • 欧盟2013年正式提出“人脑计划(Human Brain Project)”,目标是开发信息和通信技术平台,致力于神经信息学、大脑模拟、高性能计算、医学信息学、神经形态的计算和神经机器人研究,侧重于通过超级计算机技术来模拟脑功能,以实现人工智能。
  • 日本曾于1996 年推出“脑科学时代”计划纲要,提出在未来20 年内,以每年1000亿日元的支持强度,大力推进脑研究,使日本的脑科学达到甚至领先于国际水平。该计划实际投资额约为每年80亿〜90亿日元(约1100万美元)。2008年,日本进一步提出“脑科学研究战略研究项目(SRPBS)”。
  • 韩国脑计划的核心是破译大脑的功能和机制,其研究的核心领域包括:在多个尺度构建大脑图谱、开发用于脑测绘的创新神经技术、加强人工智能相关研发和开发神经系统疾病的个性化医疗。

我国已经将“脑科学与类脑研究”上升为国家战略。在《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》中,“脑科学与认知”被列入基础研究8个科学前沿问题之一。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年(2016—2020年)规划纲要》中新提出“科技创新2030—重大项目”,涉及15个重大项目、重大工程,其中就包含“脑科学与类脑研究”“智能制造和机器人”和“健康保障”。


“日本、美国和欧盟都已经启动了各自的脑计划,中国当然不能落后。”美国国家科学院院士、中国科学院外籍院士蒲慕明说,中国脑计划可以概括为“一体两翼”:一体是以理解大脑为中心,两翼分别是诊断、治疗脑疾病和类脑智能技术的发展,两翼都侧重应用。


参考资料

[1] http://he.xinhuanet.com/xinwen/20170429/3704602_m.html

[2] https://haokan.baidu.com/v?pd=wisenatural&vid=5929764868412426104

[3] http://www.bjnews.com.cn/news/2019/05/24/582991.html

[4] http://military.people.com.cn/n/2015/0627/c172467-27217715.html

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