中國類腦計算研究又有新進展。北京時間10月14日，由清華大學團隊主創的論文在《自然》雜誌刊發。該論文首次提出了“類腦計算完備性”的概念，設計了一種能實現軟硬件去耦合的系統層次結構，擴展了類腦計算系統的應用範圍。
研究旨在解決類腦計算基礎性問題
據瞭解，這篇論文題為《一種類腦計算系統層次結構（A system hierarchy for brain-inspired computing）》，由清華大學計算機科學與技術系（以下簡稱“計算機系”）張悠慧團隊、精密儀器系（以下簡稱“精儀系”）施路平團隊與美國特拉華大學等機構的合作者完成。
什麼是“完備性”？什麼是計算機系統的層次結構？它們為什麼這麼重要？
“通俗來講，‘完備性’可以回答系統能夠完成什麼、功能邊界在哪裏等問題。”論文第一作者、清華大學計算機系研究員張悠慧解釋説。
計算機系統的層次結構，則可以簡單理解為系統組成。一般而言，計算機系統由軟件層、編譯層、硬件層組成。
從現有通用計算機的發展歷史來看，完善的計算完備性與軟硬件去耦合的層次結構，是計算系統蓬勃發展的基礎。
軟硬件去耦合，指的是計算機系統層次結構內的軟件、硬件、指令集能在獨立發展的同時相互兼容。
但在新興的類腦計算領域，上層應用和下層的軟硬件往往被綁定在一起。這意味着，對於每一種新的類腦芯片架構和系統，研究人員都要單獨開發相應的軟硬件，即便兩種系統運行的是相同的算法，研究人員也很難比較它們的表現。
目前，許多團隊都在展開類腦芯片研究，比如清華大學團隊的“天機”芯片、斯坦佛大學和滑鐵盧大學合作的Braindrop芯片、歐洲人腦計劃中的SpiNNaker項目，等等。每種芯片都有自己特有的軟硬件接口以及工具鏈，導致以特定芯片為基礎的應用缺乏可移植性。
論文提出“類腦計算完備性”的概念，正是旨在解決類腦計算領域的基礎性問題，實現軟硬件的去耦合。
據瞭解，在定義這一概念時，研究人員放鬆了對系統計算過程和精度的約束——他們的定義是，針對任意給定誤差ϵ≥0和任意圖靈可計算函數f(x)，如果一個計算系統可以實現函數 F(x) 使得 ‖F(x)-f(x)‖≤ϵ對所有合法的輸入x均成立，那麼該計算系統是類腦計算完備的。
“張悠慧等作者通過提出類腦計算完備性的概念，為解決類腦計算領域的（軟硬件去耦合）問題提供了一種突破性的解決方案。”《自然》雜誌評論文章稱。
提出了新的類腦計算系統層次結構
在理論研究的基礎上，論文還提出一種全新的類腦計算系統層次結構。該結構具有三層次：具備圖靈完備性的軟件模型；具備類腦計算完備性的硬件體系結構；位於兩者之間的編譯層。
類腦計算機層次結構（左）與現有通用計算機的對比。
研究人員表示，新的層次結構有多個優點。第一是軟件模型具有圖靈完備性，為支持不同應用程序的編程提供了基礎。第二是編譯可行性，可以降低軟硬件開發的耦合程度，增強應用系統的開發效率。
為了證實設計的可行性，研究人員構建了一個軟件工具鏈，並通過實驗證明，該工具鏈可以支持不同的程序在三類典型的硬件平台（通用圖形處理器、類腦天機芯片和基於阻變存儲器的神經形態芯片）上運行。
《自然》雜誌評論文章指出，新層次結構的提出是類腦計算領域的重要一步，研究人員能以此為基礎，在同一標準下比較不同的硬件平台和算法。在進行類腦架構的基準測試時，這些任務非常關鍵。
值得注意的是，在一年多的時間裏，清華大學相關團隊完成了類腦計算領域《自然》正刊的三連發——分別是2019年8月1日施路平團隊的《面向通用人工智能的混合芯片架構》，2020年初吳華強團隊的《基於憶阻器件的卷積神經網絡》，以及此次的論文。
“施路平教授團隊的研究面向新型類腦計算芯片與系統，是在面向通用人工智能的應用方面開展工作，可以説是我們工作的牽引。而吳華強教授團隊在新器件、新工藝層面的創新，則是我們工作的推動。對於我們研究的計算機系統結構而言，兩者都是重要的支撐。”張悠慧説，“我們很榮幸能參與其中，進一步探索計算理論和計算系統架構的問題。”
據瞭解，在類腦計算完備性和軟硬件去耦合方面，團隊已在開展進一步研究。他們希望繼續提高類腦計算系統的效率和兼容性，促進包括通用人工智能在內的各個應用方向的發展。
張悠慧。圖自清華大學
論文原文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2782-y
綜合自清華大學、北京智源研究院、《自然》等
採寫：南都記者馮羣星
【來源：南方都市報】
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