清华大学研发类脑计算机

清华大学计算机科学系的张团队和美术系的石团队及合作者于10月14日在《自然》杂志上发表了题为《类脑计算系统的层次结构》的论文，首次提出了“类脑计算完备性”和软硬件解耦的类脑计算系统的层次结构，填补了该领域的空空白。这是清华大学在《自然》杂志上发表的继“天空运动”和“多阵列忆阻器存储与计算集成系统”之后，在类脑计算领域的第三项成果。也是计算机系作为第一个完成单位发表的第一篇《自然》论文。目前清华正在研发第三代“天空运动”和新型类脑电脑。

近年来，对类脑计算的研究越来越受到重视。类脑计算是借鉴生物神经系统的信息处理模式和结构的计算理论、体系结构、芯片设计、应用模型和算法的总称。类脑计算尚处于起步阶段，国际公认的技术标准和方案尚未形成。

与通用计算机的“图灵完备性”概念和“冯·诺依曼”体系结构相对应，本研究首次提出了“类脑计算完备性”和软硬件解耦的类脑计算系统的层次结构。通过理论论证和原型实验，证明了这类系统的硬件完备性和编译可行性，拓展了类脑计算系统的应用范围，支持通用计算。本研究成果填补了完备性理论和相应系统层次的空空白，有利于独立掌握新计算机系统的核心技术。

现有的对类脑计算系统的研究大多集中在具体芯片、工具链、应用和算法的创新实现上，而对系统的计算完备性、系统层次性等基本问题考虑不足，导致软硬件耦合紧密、应用范围不明确等一系列问题。然而，根据现有通用计算机的发展历史和设计方法，计算完备性和软硬件解耦的完美层次结构是计算系统蓬勃发展的计算理论和系统结构的基础。

因此，研究小组提出了“类脑计算完备性”的概念——对于任意给定的误差≥0，任意图灵可计算函数f(x)，如果一个计算系统能够实现函数F(x)使得‖F(x)-F(x)≤对所有合法输入x成立，那么该计算系统就是类脑计算完备。

“一般来说，‘完整性’可以回答诸如系统能够完成什么以及功能边界在哪里等问题。研究完备性可以为软硬件系统的解耦和不同研究领域之间的任务和接口划分提供理论基础。我们的研究侧重于完备性理论研究，首先回答基本问题。”清华大学计算机系研究员张说。

类似大脑的计算机层次结构(左)与现有通用计算机的比较

与通用计算机相比，该定义放宽了对计算过程和系统精度的限制。该团队进一步提出了相应的类脑计算机层次结构和硬件原语，以确保类脑计算的完整性，从而充分利用这种新的完整性带来的优势。结构有三个层次:图灵的完整软件模型；类似大脑计算的完整硬件架构；位于它们之间的编译层；构造性转换算法被设计成将任何图灵可计算函数转换成类似于计算完整硬件的大脑上的模型。

近年来，清华类脑计算研究中心提出了一种符合脑科学基本规律的新型类脑计算架构——异构融合的天机类脑计算芯片架构，可以同时支持计算机科学和神经科学的神经网络模型，充分发挥各自的优势。目前，“天空运动”已经发展到第三代，为学术界发展人工通用智能提供了平台和思路，将推动人工通用智能的研究，赋予各行各业权力。

清华天极芯片驱动的自动驾驶自行车曾经擦过屏幕，被网友戏称为“自行车精”

其中，第一代“天空运动”于2015年6月成功上映。该芯片首次集成了人工神经网络和脉冲神经网络，兼顾了技术成熟、应用广泛的深度学习模型和未来前景广阔的计算神经科学模型。

第二代“天空运动”是去年8月1日发表在《自然》封面文章上的成果，具有高速、高性能、低功耗的特点。

目前，该中心正在开发第三代“天体运动”和一种新型类脑计算机。基于现有“天体运动”的类天脑计算机是一个能满足类天脑智能应用需求的通用类天脑计算系统，主要包括系统架构、类天脑处理器单元、软件工具链、输入输出子系统、类天脑计算机的加载测试环境等。第一代原型可以处理36个异步视频输入的1000帧/秒的实时数据。