發(fā)軔于1956年的人工智能，曾試圖賦予計算機(jī)更多的類人智能，但至今仍未成功，更談不上具有自主學(xué)習(xí)、想象創(chuàng)造等人類智能的高級特征。不過，近年來，“類腦計算”卻從理念走向?qū)嵺`，正走出一條制造類人智能的新途徑。所謂“類腦計算”，是指仿真、模擬和借鑒大腦神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和信息處理過程的裝置、模型和方法，其目標(biāo)是制造類腦計算機(jī)。

　　IBM研發(fā)的TrueNorth神經(jīng)形態(tài)芯片登上《科學(xué)》雜志封面。資料圖片

　　A.類腦計算機(jī)可能嗎

　　人們往往會質(zhì)疑：大腦奧秘尚未揭示，我們還不了解智能背后的基本原理，怎么能制造出具有“大腦智能”的類腦計算機(jī)呢?

　　筆者認(rèn)為，這一質(zhì)疑存在的問題，是沒有分清“類腦”的兩個層次：結(jié)構(gòu)層次的仿真和功能層次的模擬。類腦計算機(jī)的“類”是從結(jié)構(gòu)層次仿真入手，即采用光電微納器件模擬生物神經(jīng)元，以及神經(jīng)突觸的信息處理功能，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)仿照大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。在仿真精度達(dá)到一定范圍后，類腦計算機(jī)將具備生物大腦類似的信息處理功能和系統(tǒng)行為，包括“靈感涌現(xiàn)”等高級智能。簡言之，類腦計算機(jī)不是等待理解智能或心智的機(jī)理后再行模擬，而是繞過這個更為困難的科學(xué)問題，通過結(jié)構(gòu)仿真等工程技術(shù)手段間接達(dá)到功能模擬目的。

　　實(shí)際上，科學(xué)發(fā)現(xiàn)和技術(shù)發(fā)明從來就是相互作用的復(fù)雜過程，不是“前者決定后者”的簡單關(guān)系。中國“四大發(fā)明”都是技術(shù)實(shí)踐成果，并無科學(xué)發(fā)現(xiàn)作為前提。近代科技史上，飛機(jī)和空氣動力學(xué)是另一個鮮活案例。19世紀(jì)經(jīng)典流體力學(xué)已經(jīng)形成，但并未出現(xiàn)指導(dǎo)飛機(jī)設(shè)計的空氣動力學(xué)。1903年萊特兄弟發(fā)明飛機(jī)，1908年馮·卡門專赴巴黎目睹飛行表演后，才下決心“要不惜一切代價去研究風(fēng)以及在風(fēng)中飛行的全部奧秘，總有一天我會向法爾芒講清楚他的飛機(jī)為什么能上天的道理”。

　　腦科學(xué)與類腦計算機(jī)的關(guān)系也是如此。人腦雖然是迄今已知的最為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，規(guī)模龐大，但仍然是一個復(fù)雜度有限的物理結(jié)構(gòu)：擁有約一千億個神經(jīng)元，每個神經(jīng)元通過數(shù)千甚至上萬個神經(jīng)突觸和其他神經(jīng)元相連接。采用神經(jīng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)手段，從分子生物學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)層次解析大腦神經(jīng)元和突觸的物理化學(xué)特性，理解神經(jīng)元和突觸的信號加工和信息處理特性，并無突破不了的技術(shù)障礙。隨著探測手段的不斷改進(jìn)，大腦解析日益精細(xì)，而神經(jīng)元和突觸作為信息處理單元為解析精度設(shè)定了下界，因此大腦解析是一個能夠?qū)崿F(xiàn)的工程技術(shù)問題。

　　2008年，美國工程院把“大腦反向工程”列為本世紀(jì)14個重大工程問題之一，近年來各國“腦計劃”也將大腦高精度解析列為重要內(nèi)容進(jìn)行支持。我們不應(yīng)再糾結(jié)于大腦意識原理是否突破，而應(yīng)該在大腦解析仿真最新進(jìn)展基礎(chǔ)上，爭取在制造類腦計算機(jī)方面先行突破，一旦類腦計算機(jī)能夠產(chǎn)生部分類腦功能，揭示大腦智能奧秘也就為期不遠(yuǎn)了。

　　B.類腦計算的技術(shù)路徑

　　類腦計算技術(shù)路線總體上可分為三個層次：結(jié)構(gòu)層次模仿腦，器件層次逼近腦，智能層次超越腦。近十年來，國內(nèi)外在這三個層次已經(jīng)取得不少階段性成果。

　　所謂“結(jié)構(gòu)層次模仿腦”，是將大腦作為一個物質(zhì)和生理對象進(jìn)行解析，獲得基本單元(各類神經(jīng)元和神經(jīng)突觸等)的功能及其連接關(guān)系(網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu))。這一階段，主要通過神經(jīng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)采用先進(jìn)的分析探測技術(shù)完成。

　　1952年，英國科學(xué)家霍奇金和赫胥黎提出了以兩人命名的HH方程，精確刻畫了單個神經(jīng)元放電的非線性動力學(xué)過程，這是神經(jīng)元信息處理的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型。近年來，國內(nèi)的相關(guān)探測手段也快速進(jìn)步。例如北京大學(xué)生物動態(tài)光學(xué)成像中心主任、哈佛大學(xué)終身教授謝曉亮領(lǐng)銜的生物動態(tài)光學(xué)成像中心，可以通過單分子光譜觀察細(xì)胞內(nèi)部的動態(tài)生理過程。2014年，華中科技大學(xué)駱清銘教授牽頭的“單細(xì)胞分辨率的全腦顯微光學(xué)切片斷層成像技術(shù)與儀器”榮獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎，在神經(jīng)細(xì)胞尺度上實(shí)現(xiàn)了腦皮層的結(jié)構(gòu)解析。國際上，2014年6月，美國國立衛(wèi)生研究院發(fā)布美國腦計劃12年規(guī)劃，重點(diǎn)支持新的大腦解析探測技術(shù)，目標(biāo)是繪制出堪比“人類基因圖譜”的“人類大腦動態(tài)圖譜”。相關(guān)進(jìn)展表明，對人類大腦結(jié)構(gòu)的解析有望在十年內(nèi)獲得重大突破。

　　所謂“器件層次逼近人腦”，是指研制能夠模擬神經(jīng)元和神經(jīng)突觸功能的微納光電器件，從而在有限的物理空間和功耗條件下構(gòu)造出人腦規(guī)模的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。這方面的代表性項(xiàng)目是美國國防部先進(jìn)研究項(xiàng)目局(DARPA)2008年啟動的“神經(jīng)形態(tài)自適應(yīng)可塑性可擴(kuò)展電子系統(tǒng)”(即突觸)，其目標(biāo)是研制出器件功能、規(guī)模與密度均與人類大腦皮層相當(dāng)?shù)碾娮友b置，功耗為一千瓦(人腦為20瓦)，IBM和多所大學(xué)獲得一億多美元資助。2014年8月7日，IBM在《科學(xué)》上發(fā)表文章，宣布研制成功TrueNorth神經(jīng)形態(tài)芯片，內(nèi)含一百萬個神經(jīng)元和2.56億個突觸，這項(xiàng)成果入選“2014年十大科學(xué)突破”。德國海德堡大學(xué)在神經(jīng)形態(tài)芯片研制方面已有十多年積累，今年3月，他們在一個8英寸硅片上集成了20萬神經(jīng)元和5000萬突觸，采用這種“神經(jīng)形態(tài)處理器”的計算機(jī)已經(jīng)成功運(yùn)行，其神經(jīng)元采用模擬電路實(shí)現(xiàn)，功能比IBM方案更接近生物神經(jīng)元。

　　類腦計算研究的目標(biāo)是制造出類腦計算機(jī)，其硬件主體是大規(guī)模神經(jīng)形態(tài)芯片，這種芯片主要包括神經(jīng)元陣列和突觸陣列兩大部分，前者通過后者互聯(lián)，一種典型連接結(jié)構(gòu)是縱橫交叉，使得一個神經(jīng)元和上千乃至上萬其他神經(jīng)元連接，而且這種連接還可以是軟件定義和調(diào)整的。類腦計算機(jī)基礎(chǔ)軟件除管理神經(jīng)形態(tài)硬件外，主要實(shí)現(xiàn)各種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)到底層硬件器件陣列的映射，這里的“軟件神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”可以復(fù)用生物大腦的局部甚至整體，也可以是經(jīng)過優(yōu)化、乃至全新設(shè)計的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

　　所謂“智能層次超越腦”，屬于類腦計算機(jī)應(yīng)用軟件層次的問題，是指通過對類腦計算機(jī)進(jìn)行信息刺激、訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，使其產(chǎn)生與人腦類似的智能甚至涌現(xiàn)出自主意識，實(shí)現(xiàn)智能培育和進(jìn)化。刺激源可以是虛擬環(huán)境，也可以是來自現(xiàn)實(shí)環(huán)境的各種信息(例如互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù))和信號(例如遍布全球的攝像頭和各種物聯(lián)網(wǎng)傳感器)，還可以是機(jī)器人“身體”在自然環(huán)境中探索和互動。在這個過程中，類腦計算機(jī)能夠調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的突觸連接關(guān)系及連接強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)、記憶、識別、會話、推理以及更高級的智能。

　　C.類腦計算研究在北京

　　中國在類腦計算相關(guān)研究有十來年的研究歷史了。北京大學(xué)微電子研究院從2006年開始研制神經(jīng)形態(tài)器件，2012年實(shí)現(xiàn)了神經(jīng)突觸模擬器件，響應(yīng)速度比生物突觸快百萬倍，而單元體積只有生物突觸的十萬分之一，在光學(xué)突觸方面也有突破。在類腦信息處理和計算模型方面，北京大學(xué)機(jī)器感知與智能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和數(shù)字視頻編解碼技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室在視覺信息編碼和識別方面具有深厚積累。北京大學(xué)今年還成立了由生命科學(xué)學(xué)院、信息科學(xué)學(xué)院、工學(xué)院、心理學(xué)系、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)部等開展學(xué)科交叉研究的“腦科學(xué)與類腦研究中心”。

　　北京大學(xué)是我國類腦研究蓬勃發(fā)展的一個縮影。今年以來，清華大學(xué)成立了跨七個院系的“類腦計算研究中心”，從基礎(chǔ)理論、芯片、軟件系統(tǒng)展開全方位研究，中國科學(xué)院自動化研究所成立了“類腦智能研究中心”，中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所研制出世界上首款深度學(xué)習(xí)處理器芯片，中國傳媒大學(xué)腦科學(xué)與智能媒體研究院和北京印刷學(xué)院等單位在神經(jīng)系統(tǒng)高效模擬、神經(jīng)形態(tài)器件印制等方面也有很好的工作基礎(chǔ)。

　　今年以來，北京市科學(xué)技術(shù)委員會對腦科學(xué)和類腦計算進(jìn)行了密集調(diào)研，制定了“北京腦科學(xué)研究”專項(xiàng)規(guī)劃，并于9月1日正式對外發(fā)布?！澳X認(rèn)知與類腦計算”作為專項(xiàng)兩大重點(diǎn)任務(wù)之一，沿著“結(jié)構(gòu)仿真、器件逼近和功能超越”這條技術(shù)路線，布局了三個層次、九個方面的科研任務(wù)：建設(shè)支撐類腦計算基礎(chǔ)研究開發(fā)和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的四大基礎(chǔ)性公共平臺(大腦解析仿真平臺、認(rèn)知功能模擬平臺、神經(jīng)形態(tài)器件平臺和類腦計算機(jī)系統(tǒng)平臺)，開發(fā)兩款類腦計算處理器芯片(類腦處理器和機(jī)器學(xué)習(xí)處理器)并投入實(shí)際應(yīng)用，希望研制類腦計算機(jī)軟硬件系統(tǒng)，在視聽感知、自主學(xué)習(xí)、自然會話三大類腦智能方向取得突破并實(shí)現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用。這一專項(xiàng)的目標(biāo)是依托首都類腦領(lǐng)域科研優(yōu)勢，在類腦計算理論基礎(chǔ)研究、類腦計算機(jī)研制和類腦智能三方面取得理論研究和關(guān)鍵技術(shù)的重要突破，初步形成自主可控的類腦計算機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈，將北京建設(shè)成為全球有重要影響力的類腦計算科技創(chuàng)新中心和產(chǎn)業(yè)化中心。

　　目前，集中北京地區(qū)大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)優(yōu)勢研究力量的十多項(xiàng)類腦計算研究項(xiàng)目已經(jīng)全面展開。這里以筆者參加的“大腦初級視覺系統(tǒng)解析仿真平臺研究和應(yīng)用驗(yàn)證”項(xiàng)目為例。這個項(xiàng)目匯聚了信息科學(xué)和生命科學(xué)交叉的研究團(tuán)隊：視覺損傷與修復(fù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)測量視網(wǎng)膜各類神經(jīng)節(jié)細(xì)胞在多種視覺刺激的發(fā)放模型，數(shù)字視頻編解碼技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)開發(fā)高逼真視網(wǎng)膜仿真軟件，生物醫(yī)學(xué)中心采用雙光子成像研究靈長類初級視皮層神經(jīng)機(jī)制，定量生物中心則從神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿真和動力學(xué)分析方面進(jìn)行軟件模擬，通過生物實(shí)驗(yàn)和計算機(jī)仿真進(jìn)行交叉驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)對生物視覺系統(tǒng)視覺信息處理和加工過程的精確重構(gòu)。預(yù)計這項(xiàng)研究不僅能深化對生物視覺系統(tǒng)信息處理過程的認(rèn)識，還有望啟發(fā)新的高效視頻編碼方法和對象檢測識別算法，并通過新一代視覺芯片支持智能機(jī)器人和無人機(jī)等產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

　　就像飛機(jī)發(fā)明對空氣動力學(xué)的提出起到了巨大促進(jìn)作用一樣，類腦計算機(jī)作為生物大腦的模擬仿真系統(tǒng)，也將對揭開意識之謎發(fā)揮重要作用。需要特別說明的是，由于類腦計算機(jī)的器件速度是生物神經(jīng)元和突觸的百萬倍以上，一旦通過涌現(xiàn)方式產(chǎn)生智能，后果難以預(yù)料，對人類來說可能是天使，也可能是魔鬼，因此，相關(guān)的倫理和風(fēng)險研究也要同步展開。