朝著計(jì)算機(jī)念一句“春眠不覺(jué)曉”，它就能憑著“記憶”很快接著念出“處處聞啼鳥……”朝它噴殺蟲劑，它會(huì)顯示出“注意有毒氣體”的感知反饋……9月1日，記者從浙江大學(xué)了解到，這臺(tái)能像人一樣“回憶”、“聞”氣味的計(jì)算機(jī)，正是浙江大學(xué)聯(lián)合之江實(shí)驗(yàn)室共同研制出的我國(guó)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)（Darwin Mouse）。

　　這臺(tái)類腦計(jì)算機(jī)是目前國(guó)際上神經(jīng)元規(guī)模最大的類腦計(jì)算機(jī)。它包含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，神經(jīng)元數(shù)量規(guī)模相當(dāng)于一個(gè)小鼠大腦。相比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)由于數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和計(jì)算分離而產(chǎn)生的高能耗問(wèn)題，該類腦計(jì)算機(jī)的典型運(yùn)行功耗只需350瓦至500瓦。

　　與此同時(shí)，團(tuán)隊(duì)還為類腦計(jì)算機(jī)研制了“管家婆”——達(dá)爾文類腦操作系統(tǒng)（DarwinOS），用以實(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。

　　這臺(tái)類腦計(jì)算機(jī)到底“聰明”到怎樣的程度？類腦計(jì)算機(jī)如何實(shí)現(xiàn)像人一樣思考？其未來(lái)發(fā)展方向又在哪里？帶著這些疑問(wèn)，我們走近這臺(tái)浙江造的神奇“大腦”。

　　像大腦

　　一樣“思考”

　　“滴，滴，滴……”記者在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)看到，3臺(tái)外形相似的機(jī)器人正合作開(kāi)展抗洪救險(xiǎn)任務(wù)。1號(hào)機(jī)器人憑借自帶攝像頭在場(chǎng)地巡邏，當(dāng)發(fā)現(xiàn)堤壩缺口后，就呼叫負(fù)責(zé)工程的3號(hào)機(jī)器人前來(lái)修壩，同時(shí)搜尋受傷人員，當(dāng)發(fā)現(xiàn)倒在地上的人體模型后，又呼叫負(fù)責(zé)救援的2號(hào)機(jī)器人……不同于現(xiàn)有機(jī)器人的是，這幾個(gè)機(jī)器人是在類腦計(jì)算機(jī)的控制下通過(guò)語(yǔ)音開(kāi)展移動(dòng)指令，并接受任務(wù)分配。

　　“這臺(tái)類腦計(jì)算機(jī)是像搭積木一樣搭起來(lái)的。每顆芯片上有15萬(wàn)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(lái)成為一個(gè)模塊�！表�(xiàng)目研究骨干金孝飛說(shuō)。

　　2015年和2019年浙江大學(xué)分別研制成功達(dá)爾文1代和達(dá)爾文2代類腦計(jì)算芯片，用芯片去模擬大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)與功能機(jī)制，在圖像、視頻、自然語(yǔ)言的模糊處理中具有優(yōu)勢(shì)。而這次的成果是將數(shù)百顆達(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，從而形成一臺(tái)強(qiáng)大的機(jī)架式類腦計(jì)算機(jī)。

　　而要讓這么多神經(jīng)元能夠互聯(lián)并且可拓展從而實(shí)現(xiàn)高效的聯(lián)動(dòng)組合，同時(shí)要把雜亂無(wú)章的信息流有序分配到對(duì)應(yīng)的功能腦區(qū)，依靠的正是“管家婆”——達(dá)爾文類腦操作系統(tǒng)（DarwinOS）。“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。”項(xiàng)目研究骨干呂攀說(shuō)。

　　未來(lái)，類腦計(jì)算機(jī)既可用于生活中各種智能任務(wù)的處理，開(kāi)拓人工智能的應(yīng)用場(chǎng)景；也可用于神經(jīng)科學(xué)、腦科學(xué)研究，從而為神經(jīng)科學(xué)家提供更快更大規(guī)模的仿真工具，提供探索大腦工作機(jī)理的新實(shí)驗(yàn)手段。

　　目前，浙江大學(xué)與之江實(shí)驗(yàn)室的科研人員基于該類腦計(jì)算機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了多種智能任務(wù)。除了抗洪搶險(xiǎn)場(chǎng)景下多個(gè)機(jī)器人的協(xié)同工作，科研人員還用類腦計(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(jué)刺激時(shí)該腦區(qū)神經(jīng)元的周期性反應(yīng)；借鑒海馬體神經(jīng)環(huán)路結(jié)構(gòu)和神經(jīng)機(jī)制構(gòu)建了學(xué)習(xí)-記憶融合模型，實(shí)現(xiàn)音樂(lè)、詩(shī)詞、謎語(yǔ)等的時(shí)序記憶功能；實(shí)現(xiàn)了腦電信號(hào)的穩(wěn)態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位實(shí)時(shí)解碼，可“意念”打字輸入。

　　顛覆傳統(tǒng)

　　計(jì)算模式

　　從數(shù)值計(jì)算到脈沖計(jì)算，從馮·諾依曼架構(gòu)到神經(jīng)擬態(tài)架構(gòu)，類腦計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，顛覆了傳統(tǒng)的計(jì)算模式和體系架構(gòu)。

　　當(dāng)我們?cè)阪I盤上敲打出一串字符的時(shí)候，計(jì)算機(jī)就已經(jīng)將它轉(zhuǎn)化成為“0”和“1”這種可以被機(jī)器識(shí)別的二進(jìn)制語(yǔ)言，并通過(guò)數(shù)據(jù)線從中央處理器（CPU）的暫存器轉(zhuǎn)移到其他存儲(chǔ)單元……傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)在處理器和存儲(chǔ)器之間要進(jìn)行多次數(shù)據(jù)交換。其發(fā)展之初采用以數(shù)值計(jì)算見(jiàn)長(zhǎng)的馮·諾依曼架構(gòu)，也就是以數(shù)字加減乘除的方式來(lái)進(jìn)行信息架構(gòu)。隨著摩爾定理逐漸失效，馮·諾依曼架構(gòu)帶來(lái)的局限日益明顯，存儲(chǔ)墻、功耗墻、智能提升等問(wèn)題，讓當(dāng)前計(jì)算機(jī)發(fā)展面臨重大挑戰(zhàn)。

　　如“存儲(chǔ)墻”問(wèn)題就是在馮·諾依曼架構(gòu)中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算的分離中產(chǎn)生的�！斑@就好比信息存儲(chǔ)在甲地，要計(jì)算的時(shí)候就把信息搬到乙地去，計(jì)算好了再搬回甲地去。但搬運(yùn)的速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于計(jì)算的速度，反而讓搬運(yùn)本身成為關(guān)鍵瓶頸�！闭憬�大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授潘綱說(shuō)，這種計(jì)算模式制約了以大數(shù)據(jù)為代表的計(jì)算性能提升。

　　雖然計(jì)算機(jī)運(yùn)行一個(gè)簡(jiǎn)單指令，數(shù)據(jù)來(lái)回跑動(dòng)所需要的能耗很低，但對(duì)于人工智能等需要密集計(jì)算的任務(wù)而言，短時(shí)間內(nèi)幾千萬(wàn)次甚至幾億次的運(yùn)算量，匯聚在一起也會(huì)變成一片“汪洋大�！薄Ｒ虼�，這又讓傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的“功耗墻”問(wèn)題冒了出來(lái)。

　　此外，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能算法需要海量樣本和密集計(jì)算，但舉一反三、自我學(xué)習(xí)等高級(jí)智能能力比較差，和人的智能相比依然差得很遠(yuǎn)。

　　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？

　　我們的身體早就透露了答案。人的大腦融存儲(chǔ)和處理的功能于一體，其速度和效率遠(yuǎn)高于計(jì)算機(jī)。在處理如思辨寓言蘊(yùn)含的哲理等復(fù)雜信息時(shí)，人腦的學(xué)習(xí)能力也是計(jì)算機(jī)無(wú)法企及的。

　　因此全球科學(xué)家再次將目光瞄準(zhǔn)到模仿生物大腦這個(gè)最初的夢(mèng)想。通過(guò)數(shù)字及模擬電路等硬件方式器件模擬人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的功能和連接關(guān)系，從而在有限的物理空間和能耗條件下構(gòu)造出類似人腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

　　潘綱介紹說(shuō)，用硬件及軟件模擬神經(jīng)大腦網(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)算機(jī)架構(gòu)的新型計(jì)算模式，被稱為類腦計(jì)算。其特點(diǎn)在于存算一體、事件驅(qū)動(dòng)、高度并行等，“是解決人工智能等計(jì)算難題的重要路徑之一”。

　　類腦芯片的工作原理類似于生物的神經(jīng)元行為，通過(guò)脈沖傳遞信號(hào)，信號(hào)來(lái)的時(shí)候啟動(dòng)，沒(méi)有信號(hào)就休息，實(shí)現(xiàn)高度并行，效率提升的目標(biāo)。

　　下一站

　　在哪兒？

　　1.6米高，三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜，幾個(gè)人都合抱不過(guò)來(lái)……在現(xiàn)場(chǎng)矗立的類腦計(jì)算機(jī)，讓人不禁感嘆是個(gè)“巨無(wú)霸”。別看現(xiàn)在的類腦計(jì)算機(jī)是個(gè)“大塊頭”，在1946年世界上誕生的第一臺(tái)計(jì)算機(jī)“埃尼阿克（ENIAC）” 28噸的體重面前，它還算個(gè)“小孩子”�？茖W(xué)家們表示，如同從“埃尼阿克”到平板電腦，隨著類腦芯片和其他硬件的更新迭代，類腦計(jì)算機(jī)體積縮小指日可待。未來(lái)要想邁入 “智能時(shí)代”，不能靠傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)繼續(xù)“燒腦”。類腦計(jì)算機(jī)將植入手機(jī)、機(jī)器人，為城市生活帶來(lái)新的智能服務(wù)體驗(yàn)。

　　硬件更新了，那么軟件呢？科學(xué)家們將下一步的研究焦點(diǎn)放到了類腦計(jì)算機(jī)的智能化上。

　　目前，市面上的傳感器輸入的信號(hào)還是以數(shù)字為主，應(yīng)用到類腦計(jì)算機(jī)上，要加一個(gè)編碼層，將信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖式。在這個(gè)過(guò)程中信息有丟失和損傷的風(fēng)險(xiǎn)，會(huì)在一定程度上降低計(jì)算機(jī)的功效。新式的仿腦傳感器，也將有助于計(jì)算機(jī)“聰明勁兒”的提升。

　　在科學(xué)家們的設(shè)想中，類腦計(jì)算機(jī)的智能未來(lái)將接近人腦乃至某些方面超越人腦。它可以從科學(xué)家創(chuàng)造的虛擬環(huán)境中獲取知識(shí)，在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中接受各種信息的熏陶，甚至是用機(jī)器人的身體和蝴蝶起舞實(shí)現(xiàn)互動(dòng)。通過(guò)對(duì)它進(jìn)行信息刺激、訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，類腦計(jì)算機(jī)有機(jī)會(huì)獲得人腦類似的智能，實(shí)現(xiàn)智能培育和進(jìn)化。在神經(jīng)元和突觸的自我調(diào)節(jié)的過(guò)程中，計(jì)算機(jī)進(jìn)行學(xué)習(xí)、會(huì)話、推理等類人運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)更高級(jí)的智能。

　　近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)于類腦計(jì)算機(jī)的研究一直在持續(xù)進(jìn)展中。從2015年德國(guó)海德堡大學(xué)研發(fā)的擁有400萬(wàn)神經(jīng)元規(guī)模的BrainScales，到美國(guó)IBM研發(fā)的6400萬(wàn)神經(jīng)元規(guī)模的Blue Raven，再到今年3月份美國(guó)Intel的1億神經(jīng)元規(guī)模的Pohiki Springs，直至如今的Darwin Mouse，世界各國(guó)的科學(xué)家們正在不斷刷新類腦計(jì)算系統(tǒng)的神經(jīng)元規(guī)模上限。

　　當(dāng)前，類腦計(jì)算研究還處于初級(jí)階段，無(wú)論在規(guī)模上，還是在智能化程度上，都無(wú)法和真正的人腦相比。

　　“我們希望能夠像生物進(jìn)化一樣，不斷地讓達(dá)爾文系列類腦計(jì)算機(jī)朝著人類智能的方向發(fā)展，以超低功耗提供更強(qiáng)的人工智能�！迸司V說(shuō)，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，相信有朝一日科學(xué)家將能讓類腦計(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(wèn)題。只是當(dāng)下，類腦計(jì)算機(jī)尚有很長(zhǎng)一段路要走。（見(jiàn)習(xí)記者 何冬健 記者 黃慧仙 通訊員 柯溢能 吳雅蘭）