清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系的張團(tuán)隊(duì)和美術(shù)系的石團(tuán)隊(duì)及合作者于10月14日在《自然》雜志上發(fā)表了題為《類腦計(jì)算系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)》的論文，首次提出了“類腦計(jì)算完備性”和軟硬件解耦的類腦計(jì)算系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，填補(bǔ)了該領(lǐng)域的空空白。這是清華大學(xué)在《自然》雜志上發(fā)表的繼“天空運(yùn)動(dòng)”和“多陣列憶阻器存儲(chǔ)與計(jì)算集成系統(tǒng)”之后，在類腦計(jì)算領(lǐng)域的第三項(xiàng)成果。也是計(jì)算機(jī)系作為第一個(gè)完成單位發(fā)表的第一篇《自然》論文。目前清華正在研發(fā)第三代“天空運(yùn)動(dòng)”和新型類腦電腦。

近年來，對類腦計(jì)算的研究越來越受到重視。類腦計(jì)算是借鑒生物神經(jīng)系統(tǒng)的信息處理模式和結(jié)構(gòu)的計(jì)算理論、體系結(jié)構(gòu)、芯片設(shè)計(jì)、應(yīng)用模型和算法的總稱。類腦計(jì)算尚處于起步階段，國際公認(rèn)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和方案尚未形成。

與通用計(jì)算機(jī)的“圖靈完備性”概念和“馮·諾依曼”體系結(jié)構(gòu)相對應(yīng)，本研究首次提出了“類腦計(jì)算完備性”和軟硬件解耦的類腦計(jì)算系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)。通過理論論證和原型實(shí)驗(yàn)，證明了這類系統(tǒng)的硬件完備性和編譯可行性，拓展了類腦計(jì)算系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，支持通用計(jì)算。本研究成果填補(bǔ)了完備性理論和相應(yīng)系統(tǒng)層次的空空白，有利于獨(dú)立掌握新計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心技術(shù)。

現(xiàn)有的對類腦計(jì)算系統(tǒng)的研究大多集中在具體芯片、工具鏈、應(yīng)用和算法的創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)上，而對系統(tǒng)的計(jì)算完備性、系統(tǒng)層次性等基本問題考慮不足，導(dǎo)致軟硬件耦合緊密、應(yīng)用范圍不明確等一系列問題。然而，根據(jù)現(xiàn)有通用計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史和設(shè)計(jì)方法，計(jì)算完備性和軟硬件解耦的完美層次結(jié)構(gòu)是計(jì)算系統(tǒng)蓬勃發(fā)展的計(jì)算理論和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。

因此，研究小組提出了“類腦計(jì)算完備性”的概念——對于任意給定的誤差≥0，任意圖靈可計(jì)算函數(shù)f(x)，如果一個(gè)計(jì)算系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)函數(shù)F(x)使得‖F(xiàn)(x)-F(x)≤對所有合法輸入x成立，那么該計(jì)算系統(tǒng)就是類腦計(jì)算完備。

“一般來說，‘完整性’可以回答諸如系統(tǒng)能夠完成什么以及功能邊界在哪里等問題。研究完備性可以為軟硬件系統(tǒng)的解耦和不同研究領(lǐng)域之間的任務(wù)和接口劃分提供理論基礎(chǔ)。我們的研究側(cè)重于完備性理論研究，首先回答基本問題?！鼻迦A大學(xué)計(jì)算機(jī)系研究員張說。

類似大腦的計(jì)算機(jī)層次結(jié)構(gòu)(左)與現(xiàn)有通用計(jì)算機(jī)的比較

與通用計(jì)算機(jī)相比，該定義放寬了對計(jì)算過程和系統(tǒng)精度的限制。該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步提出了相應(yīng)的類腦計(jì)算機(jī)層次結(jié)構(gòu)和硬件原語，以確保類腦計(jì)算的完整性，從而充分利用這種新的完整性帶來的優(yōu)勢。結(jié)構(gòu)有三個(gè)層次:圖靈的完整軟件模型；類似大腦計(jì)算的完整硬件架構(gòu)；位于它們之間的編譯層；構(gòu)造性轉(zhuǎn)換算法被設(shè)計(jì)成將任何圖靈可計(jì)算函數(shù)轉(zhuǎn)換成類似于計(jì)算完整硬件的大腦上的模型。

近年來，清華類腦計(jì)算研究中心提出了一種符合腦科學(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)，可以同時(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，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢。目前，“天空運(yùn)動(dòng)”已經(jīng)發(fā)展到第三代，為學(xué)術(shù)界發(fā)展人工通用智能提供了平臺(tái)和思路，將推動(dòng)人工通用智能的研究，賦予各行各業(yè)權(quán)力。

清華天極芯片驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)駕駛自行車曾經(jīng)擦過屏幕，被網(wǎng)友戲稱為“自行車精”

其中，第一代“天空運(yùn)動(dòng)”于2015年6月成功上映。該芯片首次集成了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，兼顧了技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛的深度學(xué)習(xí)模型和未來前景廣闊的計(jì)算神經(jīng)科學(xué)模型。

第二代“天空運(yùn)動(dòng)”是去年8月1日發(fā)表在《自然》封面文章上的成果，具有高速、高性能、低功耗的特點(diǎn)。

目前，該中心正在開發(fā)第三代“天體運(yùn)動(dòng)”和一種新型類腦計(jì)算機(jī)?；诂F(xiàn)有“天體運(yùn)動(dòng)”的類天腦計(jì)算機(jī)是一個(gè)能滿足類天腦智能應(yīng)用需求的通用類天腦計(jì)算系統(tǒng)，主要包括系統(tǒng)架構(gòu)、類天腦處理器單元、軟件工具鏈、輸入輸出子系統(tǒng)、類天腦計(jì)算機(jī)的加載測試環(huán)境等。第一代原型可以處理36個(gè)異步視頻輸入的1000幀/秒的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。