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還記得小時(shí)候?qū)W自行車的樣子嗎？內(nèi)心渴望著騎車帶風(fēng)的快感，手里的車把卻永遠(yuǎn)不聽使喚。媽爸在一旁喊著“轉(zhuǎn)彎”，你卻還是撞了墻，懊惱為什么自行車如此難馴。

然而，在清華大學(xué)的校園中，出現(xiàn)了一款“黑科技”自行車——它能在無人駕駛的情況下自己保持平衡，自動(dòng)識(shí)別、躲避障礙，還能服從指揮，根據(jù)指令乖乖做出轉(zhuǎn)彎、加速等動(dòng)作。

何為“通用人工智能”？

大家常聽到的人工智能，是以模擬與拓展人的智能為目的的一門新興技術(shù)學(xué)科，如今的人工智能正在經(jīng)歷爆炸式發(fā)展。當(dāng)前的人工智能主要有兩個(gè)分支：一是基于計(jì)算科學(xué)的開發(fā)，另一方面則是基于神經(jīng)科學(xué)的研發(fā)。前者具有大數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)卻在精度上有所不足，而后者精度高卻數(shù)據(jù)有限。兩套系統(tǒng)使用的平臺(tái)各不相同且互不兼容，極大地限制了人工通用智能的發(fā)展。

計(jì)算神經(jīng)科學(xué)作為腦科學(xué)中新興的、跨領(lǐng)域的交叉學(xué)科，致力于糅合兩門分立學(xué)科的優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)據(jù)與精度上取得平衡。這門新興學(xué)科將在類腦計(jì)算、人工智能等領(lǐng)域的發(fā)展中起關(guān)鍵作用。

當(dāng)前主流的人工智能通過模仿人腦，實(shí)現(xiàn)代替人腦解決問題的功能，因而市面上大部分的人工智能芯片為定制化芯片，如英特爾“至強(qiáng)”平臺(tái)、谷歌TPU等。這些產(chǎn)品雖然性能良好，但還是接近傳統(tǒng)計(jì)算并且只能為特定場(chǎng)景所需求。

科學(xué)家們意識(shí)到，人腦系統(tǒng)的認(rèn)知和自主決策是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，人工智能的最終目標(biāo)是全方位地模擬人腦功能對(duì)環(huán)境進(jìn)行感知，自主思維并產(chǎn)生相應(yīng)的行為。為了與當(dāng)前主流人工智能區(qū)別，一個(gè)新的概念——通用人工智能被引入了人工智能領(lǐng)域。

“天機(jī)芯”—首款通用人工智能芯片問世

這篇?jiǎng)倓偘l(fā)表在《自然》上的研究，正是基于計(jì)算神經(jīng)科學(xué)的背景，展示了首款通用人工智能芯片——“天機(jī)芯”。這款芯片在軟件和硬件上都做出了突破，從軟件上這枚芯片能夠融合多種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模型，提高了芯片的可擴(kuò)展性，在架構(gòu)上也并未采用傳統(tǒng)的馮諾依曼架構(gòu)；為了配合軟件功能，在硬件上，這枚芯片采用了分布式存儲(chǔ)和多核并行的芯片結(jié)構(gòu)，以優(yōu)化信息的處理效率。

天機(jī)芯片用28納米工藝制成。整個(gè)芯片大小為3.8 X 3.8mm2，由156個(gè)計(jì)算單元（Fcore）組成，這其中包括了大約四萬個(gè)神經(jīng)元和一千萬個(gè)突觸。

得益于去中心化的存儲(chǔ)與核的分布，天機(jī)芯片內(nèi)部存儲(chǔ)帶寬達(dá)到了610 GB/s。在300 MHz的主頻下，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)，該芯片的算力可達(dá)1.28 TOPS/W，而利用脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(SNN)則可達(dá)到650 GSOPS/W的算力。

天機(jī)助攻，自行車圓了“自駕夢(mèng)”

為檢驗(yàn)這款芯片的處理能力，該團(tuán)隊(duì)決定搭建一個(gè)無人自行車系統(tǒng)。

不過，從理論走向?qū)嵺`的過程卻并不輕松，他們需要克服重重難關(guān)。實(shí)現(xiàn)無人駕駛自行車，主要有三大難點(diǎn)：一是在真實(shí)的戶外環(huán)境中探測(cè)和跟蹤前方的跑步者、順利通過減速帶并自動(dòng)躲避障礙物；二是在接受語音命令以及視覺信息的同時(shí)通過實(shí)時(shí)的馬達(dá)控制信號(hào)保持自行車平衡并朝對(duì)的方向行進(jìn)；最后一點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)多模型信息的整合與即時(shí)的自主決策。

為了解決這些問題，研究人員針對(duì)不同的功能采用了不同的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，如利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）進(jìn)行圖像處理和物體探測(cè)，連續(xù)吸引子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CANN)進(jìn)行人體鎖定，脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(SNN)被用來實(shí)現(xiàn)語音識(shí)別功能，而自行車的平穩(wěn)行駛與方向控制則是通過多層感知器(MLP)實(shí)現(xiàn)。

為了整合這諸多不同的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，提高決策效率，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了基于脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(SNN)的神經(jīng)狀態(tài)機(jī)器(NSM)。這種機(jī)器接受其他神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN、SNN)的輸入，向下游計(jì)算單元輸出使能信號(hào)(CNN、CANN)和執(zhí)行信號(hào)(如：轉(zhuǎn)彎、越過障礙等)以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)狀態(tài)控制。

通過搭載強(qiáng)大的天機(jī)芯片，多個(gè)專用網(wǎng)絡(luò)和多樣化的算法與模型，研究人員成功讓無人駕駛自行車實(shí)現(xiàn)了諸多功能，如：語音識(shí)別 、目標(biāo)鎖定、障礙辨別和自主決策等。

這輛自動(dòng)駕駛自行車搭載的主要部件包括：天機(jī)芯、各類傳感器、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

天機(jī)芯的成功展示體現(xiàn)了多種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、算法與模型融合的可能性，是通用人工智能領(lǐng)域的重大突破。它是實(shí)現(xiàn)通用人工智能路上的一大步，相信未來通用智能的實(shí)現(xiàn)會(huì)讓SIRI更智能，機(jī)器人更聰明、無人駕駛更靠譜。

小小的芯片搭載龐大的系統(tǒng)。由此，我們?cè)桨l(fā)能看出這款芯片的成功研發(fā)需要多么龐大的知識(shí)儲(chǔ)備，天機(jī)芯片體現(xiàn)的不僅僅是行業(yè)翹楚的專業(yè)實(shí)力，更是不同行業(yè)的科研工作者之間的團(tuán)結(jié)協(xié)作、積極配合，是多學(xué)科交叉的結(jié)晶。

常言道，隔行如隔山，行業(yè)知識(shí)壁壘的消除需要的正是愚公移山的精神。可以說這枚首款擁有自主IP的芯片的成功研發(fā)不僅是人工智能芯片的巨大突破，更是我國人工智能領(lǐng)域的標(biāo)桿性發(fā)展！我們期待著這款芯片的進(jìn)一步升級(jí)以及早日實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。