專(zhuān)訪(fǎng)靈汐科技華寶洪：類(lèi)腦計算——腦科學(xué)研究與后摩爾時(shí)代算力突破的新起點(diǎn)

類(lèi)腦計算，將成為解開(kāi)大腦秘密和進(jìn)入通用人工智能大門(mén)的“鑰匙”。

“只要大腦的奧秘尚未大白于天下，宇宙將仍是個(gè)謎。”

                          ——Santiago Ramón y Cajal （1906年諾貝爾生理學(xué)或醫學(xué)獎獲得者）

近百年來(lái)，圍繞著(zhù)腦科學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)頒發(fā)了近20項諾貝爾獎，但人類(lèi)至今仍然難以準確說(shuō)出究竟大腦還有多少未解之謎等待著(zhù)去征服。對大腦結構和功能的探索，已經(jīng)成為當下最具挑戰性也是最有意義的前沿科學(xué)難題。

說(shuō)其最有意義，是因為大腦的解密已經(jīng)與我們每個(gè)人的生活息息相關(guān)。一方面，許多因為大腦而引起的如老年性癡呆、抑郁、自閉癥等疾病目前仍無(wú)較好的治療方案，甚至還不能對病理有清晰、準確的掌握；另一方面，如人工智能、腦機接口等正在改善人類(lèi)生活的科學(xué)研究，其發(fā)展路徑也高度依賴(lài)于對人腦秘密的探索程度。

正是基于以上原因，自進(jìn)入二十一世紀以來(lái)，世界發(fā)達國家如日本、美國和歐盟等紛紛開(kāi)啟了“腦計劃”，投入大量資金、人力，以求能快速解開(kāi)大腦的秘密。腦科學(xué)與腦認知，已經(jīng)被多國視為人類(lèi)最后的科學(xué)尖端，是科研領(lǐng)域 “皇冠上的明珠”。

如今， “中國腦計劃”的啟動(dòng)，使中國成為繼美國、歐盟和日本之后，第四個(gè)推出腦科學(xué)研究計劃的國家。中國腦計劃提出“一體兩翼”的發(fā)展策略， “以腦認知原理為主體，以類(lèi)腦計算與腦機智能、腦重大疾病診治為兩翼，搭建關(guān)鍵技術(shù)平臺，搶占腦科學(xué)前沿研究制高點(diǎn)”——這在《“十三五”國家科技創(chuàng )新規劃》中被明確提到。

在這“一體兩翼”中，類(lèi)腦計算正在成為近年來(lái)在國際與國內都非?；馃岬囊粋€(gè)研究方向。通俗得說(shuō)，類(lèi)腦計算指的是：通過(guò)借鑒于人腦的基本原理，來(lái)改進(jìn)、升級甚至變革我們傳統的計算模式。對于中國“腦計劃”的發(fā)展與突破，類(lèi)腦計算正在發(fā)揮著(zhù)“尖兵”的作用。

那么，類(lèi)腦計算將對哪些細分領(lǐng)域起到重要作用？如何實(shí)現類(lèi)腦計算的落地與應用？中國目前有哪些領(lǐng)先于世界的相關(guān)技術(shù)？

帶著(zhù)這些問(wèn)題，鎂客網(wǎng)專(zhuān)訪(fǎng)了中國智慧城市產(chǎn)業(yè)與技術(shù)創(chuàng )新戰略聯(lián)盟理事、北京科委&中關(guān)村管委會(huì )技術(shù)專(zhuān)家、北京靈汐科技有限公司CMO華寶洪，與其進(jìn)行了深入的交流。

圖 | 北京靈汐科技有限公司CMO華寶洪

“小試牛刀”的類(lèi)腦計算，后摩爾時(shí)代的破題之道

鎂客網(wǎng)注意到，今年5月14日，國家科技體制改革和創(chuàng )新體系建設領(lǐng)導小組第十八次會(huì )議在京召開(kāi)，本次會(huì )議不僅由國務(wù)院副總理劉鶴主持會(huì )議并講話(huà)，還專(zhuān)題討論了面向后摩爾時(shí)代的集成電路潛在顛覆性技術(shù)。這說(shuō)明，對于即將到來(lái)的后摩爾時(shí)代所要面臨的新挑戰，已經(jīng)成為了國家重點(diǎn)關(guān)心的方向。

那么，什么是面向后摩爾時(shí)代的集成電路潛在顛覆性技術(shù)？會(huì )議并沒(méi)有對外完全透露。但華寶洪告訴記者，和學(xué)界的不少觀(guān)點(diǎn)一樣，“類(lèi)腦計算”應該就是會(huì )議中所提到的潛在戰略性與顛覆性技術(shù)之一。

所謂摩爾定律，即“在價(jià)格不變的情況下，每18-24個(gè)月，集成電路可容納的晶體管數翻一倍，性能提升一倍”。而隨著(zhù)半導體技術(shù)的不斷突破，受制于芯片內部信號的有效傳遞已經(jīng)接近物理尺度的極限，目前想要在5nm以下再提升工藝水平已經(jīng)是極為尖端的技術(shù)難題，而成本、市場(chǎng)與需求之間的平衡，也極大可能難以為繼。

這也就意味著(zhù)，算力的發(fā)展將遇到較大的瓶頸，而與之相關(guān)度較高的如人工智能等產(chǎn)業(yè)，即將迎來(lái)潛在的沖擊。

以人工智能舉例，在第三次發(fā)展浪潮后，傳統意義上的“三駕馬車(chē)”——算法、算力、大數據，為人工智能這幾年如火如荼的發(fā)展插上了翅膀。但后摩爾時(shí)代的計算技術(shù)面臨的挑戰，給人工智能未來(lái)的發(fā)展蒙上了一層陰影。

華寶洪表示，對于人工智能等高度依賴(lài)芯片能力的產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)，傳統意義上的單純依靠堆大數據、高算力或將成為過(guò)去式，要想有新的突破，就必須有新的思路。

“以自動(dòng)駕駛這一細分領(lǐng)域舉例，現在市面上各家都在提升算力、算法，不斷用大量的圖像數據來(lái)訓練模型，但依然還是面臨著(zhù)無(wú)法突破的瓶頸。人工智能發(fā)展的“三駕馬車(chē)”，現在已經(jīng)面臨發(fā)展瓶頸，要解決后摩爾時(shí)代的挑戰，我認為還是要看類(lèi)腦計算”。

目前學(xué)界的不少觀(guān)點(diǎn)也認為，傳統的“三駕馬車(chē)”+馮諾依曼架構硬件所支撐的人工智能之路，正在越走越窄。清華大學(xué)類(lèi)腦計算研究中心主任施路平教授曾表示，“基于碳基已經(jīng)發(fā)展出現有的人類(lèi)通用智能，基于硅芯片已經(jīng)發(fā)展出強大的機器智能，借鑒腦科學(xué)的基本原理發(fā)展類(lèi)腦計算，支撐人工通用智能發(fā)展，是完全有可能的。”

圖 | 清華大學(xué)類(lèi)腦計算研究中心主任施路平教授

由此看來(lái)，類(lèi)腦計算將有可能成為一把突破傳統AI計算瓶頸、打開(kāi)通用人工智能大門(mén)的鑰匙，從而也就破解了后摩爾時(shí)代所帶來(lái)的新挑戰。不僅如此，華寶洪認為，對后摩爾時(shí)代人工智能方向的支持，只能算是類(lèi)腦計算的“小試牛刀”，其“用武之地”實(shí)際上更為寬廣。

腦仿真和腦科學(xué)研究，是類(lèi)腦計算更大的“用武之地”

“目前大多數發(fā)達國家腦計劃的目的，并不僅單純?yōu)榱巳ソ鉀Q人工智能的問(wèn)題，而且也在關(guān)注和探索：如何去解決人類(lèi)腦健康（包括精神疾病、腦疾病等領(lǐng)域）所面臨的困難。”華寶洪這樣告訴記者。

鎂客網(wǎng)注意到，屢屢在各國“腦計劃”中提到的類(lèi)腦計算，首要是解決腦科學(xué)、腦認知方面的問(wèn)題；其次是解決類(lèi)腦智能計算的問(wèn)題；而后才涉及到人工智能、腦機接口等前沿技術(shù)的支撐助力?？梢哉f(shuō)，類(lèi)腦計算這把“牛刀”還是為了加速助力解開(kāi)大腦的秘密。

華寶洪對記者表示，過(guò)往的對腦科學(xué)領(lǐng)域的研究，經(jīng)常會(huì )使用到一些小白鼠、猴子等動(dòng)物進(jìn)行實(shí)體實(shí)驗，單純的走醫學(xué)途徑去了解大腦中的神經(jīng)元、神經(jīng)脈沖等功能結構和信息傳遞機制等。盡管結果直觀(guān)，但也存在著(zhù)不少弊端：倫理層面上，世界范圍內都在呼吁珍愛(ài)實(shí)驗動(dòng)物；技術(shù)層面上，由于動(dòng)物個(gè)體的差異性等因素，存在著(zhù)實(shí)驗成本高、結果難復現等問(wèn)題。

正是在這種情況下，類(lèi)腦計算有了發(fā)揮空間。

“現在我們提供了另外一種手段，通過(guò)利用類(lèi)腦計算芯片搭建大規模的腦仿真平臺，可以支持促進(jìn)對生物腦動(dòng)力學(xué)模擬等領(lǐng)域的研究。借助由類(lèi)腦計算芯片構建的類(lèi)腦服務(wù)器以及類(lèi)腦計算集群，不遠的未來(lái)我們將可以模擬十億、百億甚至千億級神經(jīng)元規模的生物腦網(wǎng)絡(luò )活動(dòng)。”

而通過(guò)類(lèi)腦計算所實(shí)現的大規模腦仿真，可以大大降低腦科學(xué)領(lǐng)域實(shí)驗的成本，提升大規模生物腦仿真的速度，同時(shí)其可復現性的特點(diǎn)也足以保證實(shí)驗結果的客觀(guān)準確性。

有了大規模腦仿真，未來(lái)一些讓人類(lèi)“頭疼”的問(wèn)題就有望更快地得到解決。例如帕金森、抑郁等腦疾病的病理的探究、相關(guān)藥物的治療效果試驗，都有可能通過(guò)腦仿真平臺去進(jìn)行測試。同時(shí)像腦機接口和前文提到的人工智能等前沿技術(shù)，也可以被類(lèi)腦計算“賦能”。

華寶洪認為，“我們（類(lèi)腦計算的研究）最終的目的是為了服務(wù)于人類(lèi)的健康，這比類(lèi)腦計算帶給工業(yè)界的社會(huì )意義可能更為直觀(guān)。而且，通過(guò)腦仿真和類(lèi)腦計算，我覺(jué)得給大家的腦科學(xué)科研路徑和方法上打開(kāi)了一個(gè)新的想象空間，這是最重要的一點(diǎn)。”

雙腦驅動(dòng)、異構融合——征服世界頂級學(xué)刊的中國類(lèi)腦芯片

芯片，是類(lèi)腦計算落地應用的重要載體。目前，像IBM的TrueNorth、德國的BrainScales和英特爾的Loihi等，都是國際上較為知名的類(lèi)腦芯片，并已經(jīng)應用在大規模腦仿真等腦科學(xué)相關(guān)的項目中。那么，中國的類(lèi)腦芯片，表現如何？

2019年8月1日，清華大學(xué)類(lèi)腦計算中心主任施路平團隊的科研成果——上一代類(lèi)腦計算芯片 “天機芯”登上世界頂級學(xué)術(shù)期刊《Nature》的封面位置。據統計，這不僅是《Nature》創(chuàng )刊130余年歷史中，僅有的十余篇華人一作的主刊封面論文之一，同時(shí)還實(shí)現了中國在芯片和人工智能兩大領(lǐng)域中，在《Nature》期刊上論文零的突破。

“異構融合類(lèi)腦芯片”究竟強在哪？

記者發(fā)現，深度學(xué)習加速器(支持人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò ))和類(lèi)腦芯片(支持腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò ))是當前人工智能芯片代表性的兩個(gè)主流方向，而目前的其他家芯片只能支持其中一類(lèi)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )。北京靈汐科技今年成功量產(chǎn)了新一代類(lèi)腦計算芯片-領(lǐng)啟KA200，這款以“雙腦驅動(dòng)、異構融合”思路作為指導研發(fā)出的商用類(lèi)腦芯片，則打破了這一禁錮。

“何為雙腦驅動(dòng)？通俗的說(shuō)，就是把計算機的剛性和人腦的彈性結合起來(lái)”。

華寶洪對記者表示，計算機適合處理的是確定的、靜態(tài)的、不變的場(chǎng)景，它的特點(diǎn)是快速準確，表現特點(diǎn)為“剛性”。人腦擅長(cháng)處理的是近似的、不穩定和多變的場(chǎng)景，表現特性為“彈性”。

“KA200類(lèi)腦芯片的設計思路，就是希望能夠把計算機這種快速、準確的特點(diǎn)，和人腦在抗噪音、稀疏處理和時(shí)空相關(guān)性等特點(diǎn)做融合，最終打造出具有雙腦驅動(dòng)、異構融合的類(lèi)腦芯片”。

“KA200”類(lèi)腦芯片的優(yōu)勢是多方面的，突破了馮·諾依曼傳統架構，采用眾核并行，存算一體和分布式計算等核心技術(shù)。單芯片支持25萬(wàn)神經(jīng)元和2500萬(wàn)個(gè)突觸，其計算能效比高、擴展性好，可以同時(shí)高效地支持傳統人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )和脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，助力和支撐人工通用智能的發(fā)展。

八年磨一劍的靈汐，賽道上砥礪前行的狂奔者

任何科研成果從學(xué)界轉向業(yè)界，都是驚險的一跳。這對于手握世界頂級類(lèi)腦計算技術(shù)的靈汐科技團隊來(lái)說(shuō)，同樣如此。

畢竟，無(wú)論是國際還是國內，類(lèi)腦芯片的研發(fā)都是一項長(cháng)期而艱苦的工作，尤其當靈汐科技甩開(kāi)了傳統的思維與框架，力圖走出一條顛覆性的路線(xiàn)時(shí)，就要迎接更多的挑戰和艱辛。

從2013年承建國家項目，2018年成立靈汐科技，到2019年科研成果登上Nature封面,再到2021年商用類(lèi)腦芯片產(chǎn)品正式量產(chǎn)落地，整個(gè)團隊已經(jīng)走過(guò)8年的時(shí)光，其規模也逐漸增長(cháng)到了200人以上。

華寶洪告訴記者，最近幾年團隊規模進(jìn)入快速發(fā)展階段。但更重要的是——在最新研發(fā)的KA200芯片量產(chǎn)成功后，靈汐團隊已經(jīng)完成首批客戶(hù)簽單，實(shí)現了營(yíng)收。

“目前我們正在和國內眾多的客戶(hù)和合作伙伴進(jìn)行對接測試和商業(yè)落地合作，涉及腦科學(xué)，安防、車(chē)路協(xié)同、智慧工控、新基建等多個(gè)行業(yè)方向。”

現在，靈汐科技推出類(lèi)腦芯片，類(lèi)腦計算板卡，類(lèi)腦計算服務(wù)器等硬件，還配套提供面向傳統人工智能和腦科學(xué)研究的全套軟件工具棧。

華寶洪認為，“靈汐科技給合作伙伴提供的是基礎的軟硬件能力，我們非常愿意跟各個(gè)合作伙伴一起去探討各個(gè)行業(yè)應用的結合，讓異構融合、雙腦驅動(dòng)的類(lèi)腦芯片給客戶(hù)創(chuàng )造更大的價(jià)值。”

“在當下，腦科學(xué)和類(lèi)腦智能已經(jīng)成為國家“十四五規劃”中的重點(diǎn)新興領(lǐng)域，也是國家層面大力扶持的領(lǐng)域。靈汐科技希望能夠在后摩爾時(shí)代，既能有效拓展客戶(hù)在原有深度學(xué)習方面形成的能力，又能在目前逐漸升溫的腦科學(xué)、類(lèi)腦智能計算等領(lǐng)域里，為大家開(kāi)辟了一個(gè)新的發(fā)展空間”。

寶劍鋒自磨礪出。八年磨一劍的靈汐科技團隊，沒(méi)有盲從追隨主流的傳統框架，而是選擇了在異構融合類(lèi)腦芯片的這條“一個(gè)人的賽道”上狂奔。未來(lái)中國在腦科學(xué)、腦認知領(lǐng)域的進(jìn)展與突破，會(huì )因靈汐科技而帶來(lái)多少驚喜？讓我們拭目以待。

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