热门:人为何需要无人智能自行车？黑科技登上《自然》封面

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怎么让自行车骑自行车？ 清华大学自动化系教授赵明国可能是最有发言权的人之一，他研究智能自行车已经五年多了。 经过一些升级进化，这辆通体黑色的高科技自行车已经成为变速跟踪目标，并且可以自主避免障碍，理解语音指示，自主决定。
这多亏了“大脑”，是名为“天机”的人工智能芯片。 “自行车是空机芯的应用，目的是验证这个芯片的构想是可能的。 》赵明国对《中国情报周刊》说。 "当然，我现在不能指望车摔倒了自己站起来. "

ai一词最初是用来表达与人类智能相似的机器智能的意思，但在其起伏的快速发展过程中，ai的内涵已经发生了变化，成为机器学习、统计分解的代名词，脱离了智能的初衷。 在这种情况下，“不忘初心”的研究者共同成立了人工通用智能协会，将人工通用智能( artificial general intelligence )作为业界的正规称呼。

在人工通用智能行业，基于计算机科学的算法是主流，其具体应用是图像识别、语言解决和游戏等，已经深入日常生活，可以高度正确地完成指定任务，但像人一样拥有思考和决定的智慧 另一个快速的发展方向是重视生物行业的神经科学，试图模仿人的大脑新皮质，但还没有成熟的应用。 由于两者公式和编码方式的根本区别，迄今为止各自依赖于完全不同的平台。

天机芯正在突破瓶颈，实现“异种融合”。 也就是说，融合了两个人工智能范式，不仅在算法上，而且在硬件上。 包括赵明国在内，清华大学类脑计算研究中心的整个团队都与这个构想交往了7年。

今年8月，天空的机芯登在了《自然》杂志的封面上。 “异种融合本身是卓越的，既没有参考经验也没有参考资料。 ”这次研究的合作机构成员、新加坡科学技术与设计大学终身副教授、人工智能实验室主任赵蓉这样解释。 赵明国在接受《麻省理工大学科学技术评论》采访时表示，“天机芯为未来人工通用智能的快速发展提供了可能的处理方案”，国内媒体表示:“实现了中国芯片和人工智能两个行业nature论文零的突破

"人工通用智能的最佳前景是机器学习和大脑建模相结合，这也是异种融合方案引起人的地方. "

空机芯放在自行车后座的黑色箱子里，实际上没有小指甲的大小，正确的数字是3.8㎜×3.8㎜，上面密集排列着156个计算单元，在更微观的水平上，共计4万个神经元和1千多个突触。

从数量上看，每个芯片的智力不如果蝇，这种实验常用的昆虫有几十万到一百万个神经元，是人脑神经元数量的二千万万分之一以上。 “这只是基础，用这么小的板就能高密度计算，说明将来会不断优化。 ”小组成员之一清华大学计算机科学与技术系教授张悠慧解释说。

模拟人脑的基础多亏了团队的另一名成员，清华生物医学工程系副教授宋森。 他建立了能综合表现神经元特征的数学模型，用器件和电路进行模拟，并将对人脑神经电路的注意应用于算法和芯片构建。

硬件的设计思路总结了人工通用智能两种模式的共性，共享神经元和突触，使神经元和突触本身可以自由配置，服务基于计算机科学的人工通用智能算法也受到了神经科学的启发 达成协同效果这就像苹果ios和安卓支持的手机系统，尽可能集中支持两者的共性，保存ios和安卓的个性，灵活设计硬件，根据需要配置，苹果和安卓

系统芯片是软件和硬件的结合，张悠慧的工作是设计软件工具链，上层算法可以在芯片上运行，简单来说，通过工具链把不同级别的算法放在芯片的不同位置

记忆电阻器的主要发明者、加利福尼亚大学洛杉矶分校物理系教授理查德·斯坦利·威廉姆斯( williams，r. stanley )说:“人工通用智能的瓶颈是缺乏对人脑的理解，最好的前景是机器

是小费开发的，赵明国也在训练自行车“平衡”。 “和学自行车一样，一开始我不平衡，但一骑就容易了。 》赵明国解释说，有必要综合考虑自行车速度、弹性车轮与不同地面的摩擦、风扰动等问题。

经过数不清的实验，到年底自行车可以在平地上匀速前进。 或者，可以在稍微粗糙的草坪上自行，通过方向盘的转向控制来实现。 几个月后，安装了大脑的自行车在天机芯的控制下可以达成图像识别、声音识别等多种智能。

配备天机芯的无人智能自行车可以实现语音识别、目标锁定、故障判别、自主决定等功能。

清华大学精密仪器系的另一个实验室在不足20平方米的房间内设置了36台照相机，整天记录机芯收集的数据，然后发送到类脑计算机进行分解、计算、优化，反馈给芯片和自行车。

“straight！ 左！ 速度上升！ ”(直行，左转，加速)年冬天，赵明国的学生们穿着羽绒服在操场上训练自行车时，这辆摇摇晃晃的自行车可以顺利地完成所有的指令。 围绕这个小芯片，类脑计算研究小组融合了生物医学、电子、微电子、计算机、自动化、材料和精密仪器等七个系的多学科师生。

天机芯不是冯·诺伊曼结构。 对此，赵蓉解释说，是将解决和存储器两个模块分离，在中央解决方案( cpu )执行计算命令之前从存储单元中调用数据，计算后存储在存储器中的结构。 随着大数据和人工智能的迅速发展，解决方案不断优化，速度指数上升，时间单位精确到微秒，但内存远远落在后面，两者的差距越来越大，这种分离的框架已经是高速、节能等新 “从整体上看，天机芯的解决和记忆已经可以在不同的水平上实现不同程度的统一。 ”。

据业界专家介绍，目前所有的通用计算机都是冯·诺依曼结构，突破冯结构是业界的研究方向，迄今为止也有很多探索实践，取得了一些代表性的成果。 但是，到今天为止，这些非风水结构的应用场景、应用规模还有限，难以大规模宣传。 基于像天机芯这样的人脑神经科学构建的计算系统是非常有前途的尝试，值得继续研究。

“研究如何超越先进、应用，要做到最好、取得卓越的成果并不容易。 ”。

“人为什么需要无人智能自行车？ ”赵明国听到的最多的疑问，在天机芯出现在“自然”之前，疑问背后的疑问明显多于好奇心。

一家公司参观实验室时毫不客气地说:“做这个没什么用，什么也做不了，生产什么应用也没有。” 在某种程度上，这代表了当时很多人的普遍态度。

回国前，施路平在新加坡科技局数据存储研究院担任人工识别记忆实验室主任，2004年，由于对类超晶格相变材料和器件的出色贡献，作为第一个完成者成为了当时的新加坡国家科技奖获得者。 接受清华加盟邀请时，施路平已经带队研究类脑计算近六年了。 他认识到存储和解决之间无法跨越的高墙来源于以前流传下来的冯·诺依曼结构，打破瓶颈的方法是学习人脑模型，融合计算和存储，不仅是存储方面的人才，还有生物工程、生物工程

“清华有实现多学科融合的基础。 ”赵蓉当时在新加坡也想横穿学校，跨越组织进行合作，但各自都有各自的科研任务，我觉得很难融合。 关于清华，“毕竟大家都在一个校园里。 更重要的是，清华有高水平的脑科学专家。 ”。 年，施路平辞去了在新加坡的所有职务，全职回到了清华。

施路平回到清华组建类脑计算小组时，世界各地的科研人员和机构也意识到了仿生学对未来人工智能的意义。 2008年，美国国防部下属国防高级研究计划局( darpa )通过立项，开始支持科技企业ibm开发智能解决的脉冲神经网络芯片。 年，欧盟《人脑计划》得到10亿欧元的资金援助，26个国家的135个机构合作参加，研究期限为10年。 日本科学家也将于2009年成立“神经科学研究计划”，预计项目将在今后10年得到日本教育部、文化部、医学研究和快速发展委员会共计400亿日元的资助。

净身回国的施路平当时没有人，两个人都没有钱，所以项目书连第一次盲选都受不了。 “类脑计算是什么样的？ ”。 人们不知道，也不敢相信。 幸好他的再三得到清华大学前后两校长的大力支持，当时负责人事的副校长邱勇负责引进施路平，时任校长陈吉宁提出了600万元校长基金的支持系脑计算研究，启动了这笔资金支持施路平度过了最困难的“创业期”。

进入清华后，施路平每天骑着小破自行车在清华校园里穿梭，到处联系了团队、人员。 赵明国当时突然加入教师篮球队，和他意气相投的施路平，是传说中的中学从新加坡挖出来的专家，直到年夏天，施路平都去他的实验室谈论类脑计算芯片和机器人的合作，使人面对面。

张悠慧的加入有点晚，去年秋天入学后，他应该被施路平邀请参加类脑计算队的小组会。 “一室二十三十位老师除了有算法、计算机系统、材料等专业的同事外，还有生物系的专家。 ”张悠慧最初说:“我不擅长听懂彼此在说什么。 因为研究的想法不同”。 张悠慧比如生物行业通常是先做假设再验证，但在设计系统软件之前，通常有需要处理的问题。

异种融合的构想由施路平提出，与团队反复讨论。 他的习性记录在随身携带着跳出的想法的笔记本上，有时半夜想起什么，起来写想法。

国内类脑计算研究的迅速发展在年迎来了转机。 那年8月，ibm发布了百万神经元类大脑芯片truenorth。 只有邮票的大小，重量几克，能力相当于超级计算机。 耗电量只有65毫瓦。 这项研究在去年刊登在科学杂志上后，更多的人开始接受“类脑计算”。 但truenorth还没有打破冯·诺伊曼系统。

“研究如何超越先进、应用，要做到最好、取得卓越的成果并不容易。 》赵明国对《中国情报周刊》说。 年，第一代日机芯诞生，证实了异种融合的想法，但芯片的技术和性能需要进一步优化，因此年推出了第二代。 那是“自然”的封面上画着人脑的芯片的真面目。

年末，成立了一家名为“天津清芯众诚科技合作公司”的企业，经营范围包括芯片、系统、算法、软件技术服务等，股东包括施路平、张悠慧、赵蓉及清华大学精密仪器系副研究员裴京等几个团队的创始人。 两个月后，由天津清芯出资成立了占股票62.68%的北京灵汐科技有限企业，根据天津清芯追加销售了自己开发的产品、计算机、软件及辅助设备、电子产品等业务。 《自然》论文的两个签名人来自灵汐科技。

灵汐科技市场监督华宝洪今年5月接受媒体采访时表示，企业将在清华大学类脑计算研究中心孵化，结合产学研，将核心技术产业化，提供商业化的类脑计算服务。 未来，天机芯通过灵汐技术走向市场。

三年前的夏天，施路平在赵明国的实验室提出了两个合作方案。 用智能自行车检查天上机芯就是其中之一，另一个难度更大，但根据市场胃口，将成熟的天上机芯应用于赵明国的仿真机器人。 但是赵明国说，天机芯和机器人的结合还是一个构想，需要越来越多的研究和熟悉。 更何况，第二代天机芯也还在优化，没有达到真正的智能。

类脑计算系统还处于初期阶段，尚未形成公认的技术方案，天机芯提供了其中的一种可能性。 施路平团队表示，第三代日机芯正在开发，能效是第二代的100倍，有更大的商用价值，有野外侦察、无人驾驶或更具体的应用场景。 “年会是第三代，但具体应用很难明确。 ”斯坦利·威廉强调:“大脑解决新闻的机制在科学上是个谜，要理解大脑是如何工作的，直到我们接近满意的答案。”

施路平离取代人类还很远，但参考人脑的新闻解决方法，打破以前传达的框架，创造适合实时解决非结构化新闻的超低功耗的新型计算系统是未来的方向，也就是所谓的类脑 “今后20到30年内，谁将主导世界经济，谁就必须领导这个行业。 ”。

《中国信息周刊》年第三十四期

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