1.6米高的3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜并排而立，黑色的外殼給人酷酷的感覺，紅色的信號(hào)燈不停閃爍，靠得近些似乎能聽到里面脈沖信號(hào)飛速奔跑的聲音……近日，浙江大學(xué)聯(lián)合之江實(shí)驗(yàn)室共同成功研制我國首臺(tái)基于自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)類腦芯片的類腦計(jì)算機(jī)。
這臺(tái)類腦計(jì)算機(jī)包含792顆浙江大學(xué)研制的達(dá)爾文2代類腦芯片，支持1.2億脈沖神經(jīng)元、近千億神經(jīng)突觸，與小鼠大腦神經(jīng)元數(shù)量規(guī)模相當(dāng)，典型運(yùn)行功耗只需要350至500瓦，同時(shí)它也是目前國際上神經(jīng)元規(guī)模最大的類腦計(jì)算機(jī)。
眾所周知，計(jì)算機(jī)最初的發(fā)展選擇了以數(shù)值計(jì)算見長的馮·諾依曼架構(gòu)，也就是以數(shù)字加減乘除的方式來進(jìn)行信息架構(gòu)。隨著摩爾定律逐漸失效，馮·諾依曼架構(gòu)帶來的局限日益明顯，存儲(chǔ)墻、功耗墻、智能提升等問題，讓當(dāng)前計(jì)算機(jī)發(fā)展面臨重大挑戰(zhàn)。
如何突破現(xiàn)有計(jì)算運(yùn)行方式導(dǎo)致的計(jì)算機(jī)瓶頸？全球科學(xué)家們將目光瞄準(zhǔn)到模仿生物大腦，通過模擬人腦結(jié)構(gòu)與運(yùn)算機(jī)制來發(fā)展新的計(jì)算技術(shù)。
“類腦計(jì)算已被看作是解決人工智能等計(jì)算難題的重要路徑之一。”研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授潘綱說，用硬件及軟件模擬大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)與運(yùn)行機(jī)制，構(gòu)造一種全新的人工智能系統(tǒng)，這種顛覆傳統(tǒng)計(jì)算架構(gòu)的新型計(jì)算模式，就是類腦計(jì)算。
近年來，浙江大學(xué)聚焦人類智能與機(jī)器智能等核心領(lǐng)域，實(shí)施了被稱為“雙腦計(jì)劃”的腦科學(xué)與人工智能會(huì)聚研究計(jì)劃，希望借鑒腦的結(jié)構(gòu)模型和功能機(jī)制，將腦科學(xué)的前沿成果應(yīng)用到人工智能等研究領(lǐng)域，建立引領(lǐng)未來的新型計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)。2015年和2019年相繼研制成功達(dá)爾文1代和達(dá)爾文2代類腦計(jì)算芯片。而這次的成果是將792顆我國自主產(chǎn)權(quán)的達(dá)爾文2代類腦計(jì)算芯片集成在3臺(tái)1.6米高的標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器機(jī)箱中，形成了一臺(tái)強(qiáng)大的機(jī)架式類腦計(jì)算機(jī)。
那么，這種高效能低功耗是如何實(shí)現(xiàn)的呢？據(jù)項(xiàng)目研究骨干、副教授馬德介紹，大腦神經(jīng)元的工作機(jī)理是鉀離子鈉離子的流入流出導(dǎo)致細(xì)胞膜電壓變化，從而傳遞信息。“可以簡單理解為，一個(gè)神經(jīng)元接受輸入脈沖，導(dǎo)致細(xì)胞體的膜電壓升高，當(dāng)膜電壓達(dá)到特定閾值時(shí)，會(huì)發(fā)出一個(gè)輸出脈沖到軸突，并通過突觸傳遞到后續(xù)神經(jīng)元從而改變其膜電壓，實(shí)現(xiàn)信息的傳遞。”馬德說。
他進(jìn)一步解釋說，這里很重要的一點(diǎn)是異步運(yùn)行，也就是信號(hào)來的時(shí)候啟動(dòng)，沒有信號(hào)就不運(yùn)行。類腦芯片的工作原理就類似于生物的神經(jīng)元行為，通過脈沖傳遞信號(hào)，這樣就能實(shí)現(xiàn)高度并行，效率提升。
有了硬件，還得有軟件。據(jù)項(xiàng)目研究骨干金孝飛介紹，每顆芯片上有15萬個(gè)神經(jīng)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(gè)模塊。這臺(tái)類腦計(jì)算機(jī)就這樣像搭積木一樣搭起來。
科研人員為此專門研發(fā)了一個(gè)面向類腦計(jì)算機(jī)的類腦操作系統(tǒng)——DarwinOS，實(shí)現(xiàn)對(duì)類腦計(jì)算機(jī)硬件資源的有效管理與調(diào)度，支撐類腦計(jì)算機(jī)的運(yùn)行與應(yīng)用。項(xiàng)目研究骨干呂攀說：“目前達(dá)爾文類腦操作系統(tǒng)的功能任務(wù)切換時(shí)間達(dá)微秒級(jí)，可支持億級(jí)類腦硬件資源管理。”
目前，浙江大學(xué)與之江實(shí)驗(yàn)室的科研人員基于Darwin Mouse類腦計(jì)算機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了多種智能任務(wù)。研究者將類腦計(jì)算機(jī)作為智能中樞，實(shí)現(xiàn)抗洪搶險(xiǎn)場景下多個(gè)機(jī)器人的協(xié)同工作。同時(shí)，還用類腦計(jì)算機(jī)模擬了多個(gè)不同腦區(qū)，建立了丘腦外側(cè)膝狀核的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，仿真了不同頻率閃動(dòng)的視覺刺激時(shí)該腦區(qū)神經(jīng)元的周期性反應(yīng)等。
研究專家表示，隨著達(dá)爾文芯片及其他硬件的不斷迭代升級(jí)，體積縮小將指日可待。未來類腦計(jì)算機(jī)或?qū)⒅踩胧謾C(jī)、機(jī)器人，產(chǎn)生新的智能服務(wù)體驗(yàn)。
與硬件上的更新相比，如何讓類腦計(jì)算機(jī)變得更聰明是下一步研究的重點(diǎn)。浙江大學(xué)和之江實(shí)驗(yàn)室的研究目標(biāo)是，希望隨著神經(jīng)科學(xué)發(fā)展和類腦計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)軟件、工具鏈及算法的成熟，有朝一日能夠讓類腦計(jì)算機(jī)像馮·諾依曼架構(gòu)計(jì)算機(jī)一樣通用化，真正像大腦一樣高效工作，與馮·諾依曼架構(gòu)并存與互補(bǔ)去解決不同的問題。
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