神經元規模最大的類腦計算機誕生 與小鼠大腦神經元數量規模相當

本文轉自【光明日報】；

本報杭州9月1日電（記者陸健 通訊員柯溢能、吳雅蘭） 1.6米高的3個標準機櫃並排而立，黑色的外殼給人酷酷的感覺，紅色的信號燈不停閃爍，靠得近些似乎能聽到裏面脈衝信號飛速奔跑的聲音……近日，浙江大學聯合之江實驗室共同成功研製我國首台基於自主知識產權類腦芯片的類腦計算機。

這台類腦計算機包含792顆浙江大學研製的達爾文2代類腦芯片，支持1.2億脈衝神經元、近千億神經突觸，與小鼠大腦神經元數量規模相當，典型運行功耗只需要350至500瓦，同時它也是目前國際上神經元規模最大的類腦計算機。

眾所周知，計算機最初的發展選擇了以數值計算見長的馮·諾依曼架構，也就是以數字加減乘除的方式來進行信息架構。隨着摩爾定律逐漸失效，馮·諾依曼架構帶來的侷限日益明顯，存儲牆、功耗牆、智能提升等問題，讓當前計算機發展面臨重大挑戰。

如何突破現有計算運行方式導致的計算機瓶頸？全球科學家們將目光瞄準到模仿生物大腦，通過模擬人腦結構與運算機制來發展新的計算技術。

“類腦計算已被看作是解決人工智能等計算難題的重要路徑之一。”研究團隊負責人、浙江大學計算機科學與技術學院教授潘綱説，用硬件及軟件模擬大腦神經網絡的結構與運行機制，構造一種全新的人工智能系統，這種顛覆傳統計算架構的新型計算模式，就是類腦計算。

近年來，浙江大學聚焦人類智能與機器智能等核心領域，實施了被稱為“雙腦計劃”的腦科學與人工智能會聚研究計劃，希望借鑑腦的結構模型和功能機制，將腦科學的前沿成果應用到人工智能等研究領域，建立引領未來的新型計算機體系結構。2015年和2019年相繼研製成功達爾文1代和達爾文2代類腦計算芯片。而這次的成果是將792顆我國自主產權的達爾文2代類腦計算芯片集成在3台1.6米高的標準服務器機箱中，形成了一台強大的機架式類腦計算機。

那麼，這種高效能低功耗是如何實現的呢？據項目研究骨幹、副教授馬德介紹，大腦神經元的工作機理是鉀離子鈉離子的流入流出導致細胞膜電壓變化，從而傳遞信息。“可以簡單理解為，一個神經元接受輸入脈衝，導致細胞體的膜電壓升高，當膜電壓達到特定閾值時，會發出一個輸出脈衝到軸突，並通過突觸傳遞到後續神經元從而改變其膜電壓，實現信息的傳遞。”馬德説。

他進一步解釋説，這裏很重要的一點是異步運行，也就是信號來的時候啓動，沒有信號就不運行。類腦芯片的工作原理就類似於生物的神經元行為，通過脈衝傳遞信號，這樣就能實現高度並行，效率提升。

有了硬件，還得有軟件。據項目研究骨幹金孝飛介紹，每顆芯片上有15萬個神經元，每4顆芯片做成一塊板子，若干塊板子再連接起來成為一個模塊。這台類腦計算機就這樣像搭積木一樣搭起來。

科研人員為此專門研發了一個面向類腦計算機的類腦操作系統——DarwinOS，實現對類腦計算機硬件資源的有效管理與調度，支撐類腦計算機的運行與應用。項目研究骨幹呂攀説：“目前達爾文類腦操作系統的功能任務切換時間達微秒級，可支持億級類腦硬件資源管理。”

目前，浙江大學與之江實驗室的科研人員基於Darwin Mouse類腦計算機已經實現了多種智能任務。研究者將類腦計算機作為智能中樞，實現抗洪搶險場景下多個機器人的協同工作。同時，還用類腦計算機模擬了多個不同腦區，建立了丘腦外側膝狀核的神經網絡模型，仿真了不同頻率閃動的視覺刺激時該腦區神經元的週期性反應等。

研究專家表示，隨着達爾文芯片及其他硬件的不斷迭代升級，體積縮小將指日可待。未來類腦計算機或將植入手機、機器人，產生新的智能服務體驗。

與硬件上的更新相比，如何讓類腦計算機變得更聰明是下一步研究的重點。浙江大學和之江實驗室的研究目標是，希望隨着神經科學發展和類腦計算機的系統軟件、工具鏈及算法的成熟，有朝一日能夠讓類腦計算機像馮·諾依曼架構計算機一樣通用化，真正像大腦一樣高效工作，與馮·諾依曼架構並存與互補去解決不同的問題。