還記得小時候?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，自動識別、躲避障礙，還能服從指揮，根據(jù)指令乖乖做出轉(zhuǎn)彎、加速等動作。
登上《自然》封面的無人駕駛自行車
說起來，這輛自動行駛的自行車來頭可不小，它是由清華大學(xué)一只擁有多學(xué)科背景(其中包括腦科學(xué)、計算機、微電子等)的團隊牽頭，經(jīng)過6年時間自主研發(fā)而成。
這輛無人駕駛自行車的核心在于通用人工智能芯片的研發(fā)，這枚名為天機(Tianjic)的芯片經(jīng)歷了計算科學(xué)與神經(jīng)科學(xué)的融合，對計算架構(gòu)與算法的優(yōu)化，與先進芯片技術(shù)的結(jié)合而最終得以實現(xiàn)，并作為首例通用人工芯片的展示，登上了本周《自然》(Nature)雜志的封面。
那么，這一新技術(shù)特點在何?又在軟件和硬件上實現(xiàn)哪些創(chuàng)新與突破?
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分支：一是基于計算科學(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，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”平臺、谷歌TPU等。這些產(chǎn)品雖然性能良好，但還是接近傳統(tǒng)計算并且只能為特定場景所需求。
科學(xué)家們意識到，人腦系統(tǒng)的認知和自主決策是一個非常復(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環(huán)境進行感知，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，一個新的概念——通用人工智能被引入了人工智能領(lǐng)域。
“天機芯”—首款通用人工智能芯片問世
這篇剛剛發(fā)表在《自然》上的研究，正是基于計算神經(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。
天機芯片用28納米工藝制成。如下圖所示，整個芯片大小為3.8 X 3.8mm2，由156個計算單元(Fcore)組成，這其中包括了大約四萬個神經(jīng)元和一千萬個突觸。
得益于去中心化的存儲與核的分布，天機芯片內(nèi)部存儲帶寬達到了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1.28 TOPS/W，而利用脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(SNN)則可達到650 GSOPS/W的算力。
天機助攻，自行車圓了“自駕夢”
為檢驗這款芯片的處理能力，該團隊決定搭建一個無人自行車系統(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)。實現(xiàn)無人駕駛自行車，主要有三大難點：一是在真實的戶外環(huán)境中探測和跟蹤前方的跑步者、順利通過減速帶并自動躲避障礙物;二是在接受語音命令以及視覺信息的同時通過實時的馬達控制信號保持自行車平衡并朝對的方向行進;最后一點是實現(xiàn)多模型信息的整合與即時的自主決策。
為了解決這些問題，研究人員針對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)進行圖像處理和物體探測，連續(xù)吸引子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CANN)進行人體鎖定，脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(SNN)被用來實現(xiàn)語音識別功能，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，該團隊開發(fā)了基于脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(SNN)的神經(jīng)狀態(tài)機器(NSM)。這種機器接受其他神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN、SNN)的輸入，向下游計算單元輸出使能信號(CNN、CANN)和執(zhí)行信號(如：轉(zhuǎn)彎、越過障礙等)以進行運動狀態(tài)控制。
通過搭載強大的天機芯片，多個專用網(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現(xiàn)了諸多功能，如：語音識別 、目標(biāo)鎖定、障礙辨別和自主決策等。
天機芯的成功展示體現(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。它是實現(xiàn)通用人工智能路上的一大步，相信未來通用智能的實現(xiàn)會讓SIRI更智能，機器人更聰明、無人駕駛更靠譜。
小小的芯片搭載龐大的系統(tǒng)。由此，我們越發(fā)能看出這款芯片的成功研發(fā)需要多么龐大的知識儲備，天機芯片體現(xiàn)的不僅僅是行業(yè)翹楚的專業(yè)實力，更是不同行業(yè)的科研工作者之間的團結(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一步升級以及早日實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。
