發(fā)軔于1956年的人工智能，曾試圖賦予計算機更多的類(lèi)人智能，但至今仍未成功，更談不上具有自主學(xué)習、想象創(chuàng )造等人類(lèi)智能的高級特征。不過(guò)，近年來(lái)，“類(lèi)腦計算”卻從理念走向實(shí)踐，正走出一條制造類(lèi)人智能的新途徑。所謂“類(lèi)腦計算”，是指仿真、模擬和借鑒大腦神經(jīng)系統結構和信息處理過(guò)程的裝置、模型和方法，其目標是制造類(lèi)腦計算機。

　　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(lèi)腦計算機可能嗎

　　人們往往會(huì )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(lèi)腦計算機呢？

　　筆者認為，這一質(zhì)疑存在的問(wèn)題，是沒(méi)有分清“類(lèi)腦”的兩個(gè)層次：結構層次的仿真和功能層次的模擬。類(lèi)腦計算機的“類(lèi)”是從結構層次仿真入手，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 )結構仿照大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )。在仿真精度達到一定范圍后，類(lèi)腦計算機將具備生物大腦類(lèi)似的信息處理功能和系統行為，包括“靈感涌現”等高級智能。簡(jiǎn)言之，類(lèi)腦計算機不是等待理解智能或心智的機理后再行模擬，而是繞過(guò)這個(gè)更為困難的科學(xué)問(wèn)題，通過(guò)結構仿真等工程技術(shù)手段間接達到功能模擬目的。

　　實(shí)際上，科學(xué)發(fā)現和技術(shù)發(fā)明從來(lái)就是相互作用的復雜過(guò)程，不是“前者決定后者”的簡(jiǎn)單關(guān)系。中國“四大發(fā)明”都是技術(shù)實(shí)踐成果，并無(wú)科學(xué)發(fā)現作為前提。近代科技史上，飛機和空氣動(dòng)力學(xué)是另一個(gè)鮮活案例。19世紀經(jīng)典流體力學(xué)已經(jīng)形成，但并未出現指導飛機設計的空氣動(dòng)力學(xué)。1903年萊特兄弟發(fā)明飛機，1908年馮·卡門(mén)專(zhuān)赴巴黎目睹飛行表演后，才下決心“要不惜一切代價(jià)去研究風(fēng)以及在風(fēng)中飛行的全部奧秘，總有一天我會(huì )向法爾芒講清楚他的飛機為什么能上天的道理”。

　　腦科學(xué)與類(lèi)腦計算機的關(guān)系也是如此。人腦雖然是迄今已知的最為復雜的結構，規模龐大，但仍然是一個(gè)復雜度有限的物理結構：擁有約一千億個(gè)神經(jīng)元，每個(gè)神經(jīng)元通過(guò)數千甚至上萬(wàn)個(gè)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)驗手段，從分子生物學(xué)和細胞生物學(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(wú)突破不了的技術(shù)障礙。隨著(zhù)探測手段的不斷改進(jìn)，大腦解析日益精細，而神經(jīng)元和突觸作為信息處理單元為解析精度設定了下界，因此大腦解析是一個(gè)能夠實(shí)現的工程技術(shù)問(wèn)題。

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

　　B.類(lèi)腦計算的技術(shù)路徑

　　類(lèi)腦計算技術(shù)路線(xiàn)總體上可分為三個(gè)層次：結構層次模仿腦，器件層次逼近腦，智能層次超越腦。近十年來(lái)，國內外在這三個(gè)層次已經(jīng)取得不少階段性成果。

　　所謂“結構層次模仿腦”，是將大腦作為一個(gè)物質(zhì)和生理對象進(jìn)行解析，獲得基本單元（各類(lèi)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 )結構）。這一階段，主要通過(guò)神經(jīng)科學(xué)實(shí)驗采用先進(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?xún)扇嗣腍H方程，精確刻畫(huà)了單個(gè)神經(jīng)元放電的非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)過(guò)程，這是神經(jīng)元信息處理的標準數學(xué)模型。近年來(lái)，國內的相關(guān)探測手段也快速進(jìn)步。例如北京大學(xué)生物動(dòng)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(dòng)態(tài)光學(xué)成像中心，可以通過(guò)單分子光譜觀(guān)察細胞內部的動(dòng)態(tài)生理過(guò)程。2014年，華中科技大學(xué)駱清銘教授牽頭的“單細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)細胞尺度上實(shí)現了腦皮層的結構解析。國際上，2014年6月，美國國立衛生研究院發(fā)布美國腦計劃12年規劃，重點(diǎn)支持新的大腦解析探測技術(shù)，目標是繪制出堪比“人類(lèi)基因圖譜”的“人類(lèi)大腦動(dòng)態(tài)圖譜”。相關(guān)進(jìn)展表明，對人類(lèi)大腦結構的解析有望在十年內獲得重大突破。

　　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造出人腦規模的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )系統。這方面的代表性項目是美國國防部先進(jìn)研究項目局（DARPA）2008年啟動(dòng)的“神經(jīng)形態(tài)自適應可塑性可擴展電子系統”（即突觸），其目標是研制出器件功能、規模與密度均與人類(lèi)大腦皮層相當的電子裝置，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，內含一百萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元和2.56億個(gè)突觸，這項成果入選“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(gè)8英寸硅片上集成了20萬(wàn)神經(jīng)元和5000萬(wàn)突觸，采用這種“神經(jīng)形態(tài)處理器”的計算機已經(jīng)成功運行，其神經(jīng)元采用模擬電路實(shí)現，功能比IBM方案更接近生物神經(jīng)元。

　　類(lèi)腦計算研究的目標是制造出類(lèi)腦計算機，其硬件主體是大規模神經(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(guò)后者互聯(lián)，一種典型連接結構是縱橫交叉，使得一個(gè)神經(jīng)元和上千乃至上萬(wàn)其他神經(jīng)元連接，而且這種連接還可以是軟件定義和調整的。類(lèi)腦計算機基礎軟件除管理神經(jīng)形態(tài)硬件外，主要實(shí)現各種神經(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 )”可以復用生物大腦的局部甚至整體，也可以是經(jīng)過(guò)優(yōu)化、乃至全新設計的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )。

　　所謂“智能層次超越腦”，屬于類(lèi)腦計算機應用軟件層次的問(wèn)題，是指通過(guò)對類(lèi)腦計算機進(jìn)行信息刺激、訓練和學(xué)習，使其產(chǎn)生與人腦類(lèi)似的智能甚至涌現出自主意識，實(shí)現智能培育和進(jìn)化。刺激源可以是虛擬環(huán)境，也可以是來(lái)自現實(shí)環(huán)境的各種信息（例如互聯(lián)網(wǎng)大數據）和信號（例如遍布全球的攝像頭和各種物聯(lián)網(wǎng)傳感器），還可以是機器人“身體”在自然環(huán)境中探索和互動(dòng)。在這個(gè)過(guò)程中，類(lèi)腦計算機能夠調整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的突觸連接關(guān)系及連接強度，實(shí)現學(xué)習、記憶、識別、會(huì )話(huà)、推理以及更高級的智能。

　　C.類(lèi)腦計算研究在北京

　　中國在類(lèi)腦計算相關(guān)研究有十來(lái)年的研究歷史了。北京大學(xué)微電子研究院從2006年開(kāi)始研制神經(jīng)形態(tài)器件，2012年實(shí)現了神經(jīng)突觸模擬器件，響應速度比生物突觸快百萬(wàn)倍，而單元體積只有生物突觸的十萬(wàn)分之一，在光學(xué)突觸方面也有突破。在類(lèi)腦信息處理和計算模型方面，北京大學(xué)機器感知與智能教育部重點(diǎn)實(shí)驗室和數字視頻編解碼技術(shù)國家工程實(shí)驗室在視覺(jué)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、基礎醫學(xué)部等開(kāi)展學(xué)科交叉研究的“腦科學(xué)與類(lèi)腦研究中心”。

　　北京大學(xué)是我國類(lèi)腦研究蓬勃發(fā)展的一個(gè)縮影。今年以來(lái)，清華大學(xué)成立了跨七個(gè)院系的“類(lèi)腦計算研究中心”，從基礎理論、芯片、軟件系統展開(kāi)全方位研究，中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所成立了“類(lèi)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。

　　今年以來(lái)，北京市科學(xué)技術(shù)委員會(huì )對腦科學(xué)和類(lèi)腦計算進(jìn)行了密集調研，制定了“北京腦科學(xué)研究”專(zhuān)項規劃，并于9月1日正式對外發(fā)布?！澳X認知與類(lèi)腦計算”作為專(zhuān)項兩大重點(diǎn)任務(wù)之一，沿著(zhù)“結構仿真、器件逼近和功能超越”這條技術(shù)路線(xiàn)，布局了三個(gè)層次、九個(gè)方面的科研任務(wù)：建設支撐類(lèi)腦計算基礎研究開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)創(chuàng )新的四大基礎性公共平臺（大腦解析仿真平臺、認知功能模擬平臺、神經(jīng)形態(tài)器件平臺和類(lèi)腦計算機系統平臺），開(kāi)發(fā)兩款類(lèi)腦計算處理器芯片（類(lèi)腦處理器和機器學(xué)習處理器）并投入實(shí)際應用，希望研制類(lèi)腦計算機軟硬件系統，在視聽(tīng)感知、自主學(xué)習、自然會(huì )話(huà)三大類(lèi)腦智能方向取得突破并實(shí)現規模應用。這一專(zhuān)項的目標是依托首都類(lèi)腦領(lǐng)域科研優(yōu)勢，在類(lèi)腦計算理論基礎研究、類(lèi)腦計算機研制和類(lèi)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(lèi)腦計算機產(chǎn)業(yè)鏈，將北京建設成為全球有重要影響力的類(lèi)腦計算科技創(chuàng )新中心和產(chǎn)業(yè)化中心。

　　目前，集中北京地區大學(xué)、研究機構和企業(yè)優(yōu)勢研究力量的十多項類(lèi)腦計算研究項目已經(jīng)全面展開(kāi)。這里以筆者參加的“大腦初級視覺(jué)系統解析仿真平臺研究和應用驗證”項目為例。這個(gè)項目匯聚了信息科學(xué)和生命科學(xué)交叉的研究團隊：視覺(jué)損傷與修復教育部重點(diǎn)實(shí)驗室負責測量視網(wǎng)膜各類(lèi)神經(jīng)節細胞在多種視覺(jué)刺激的發(fā)放模型，數字視頻編解碼技術(shù)國家工程實(shí)驗室負責開(kāi)發(fā)高逼真視網(wǎng)膜仿真軟件，生物醫學(xué)中心采用雙光子成像研究靈長(cháng)類(lèi)初級視皮層神經(jīng)機制，定量生物中心則從神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )仿真和動(dòng)力學(xué)分析方面進(jìn)行軟件模擬，通過(guò)生物實(shí)驗和計算機仿真進(jìn)行交叉驗證，實(shí)現對生物視覺(jué)系統視覺(jué)信息處理和加工過(guò)程的精確重構。預計這項研究不僅能深化對生物視覺(jué)系統信息處理過(guò)程的認識，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(guò)新一代視覺(jué)芯片支持智能機器人和無(wú)人機等產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

　　就像飛機發(fā)明對空氣動(dòng)力學(xué)的提出起到了巨大促進(jìn)作用一樣，類(lèi)腦計算機作為生物大腦的模擬仿真系統，也將對揭開(kāi)意識之謎發(fā)揮重要作用。需要特別說(shuō)明的是，由于類(lèi)腦計算機的器件速度是生物神經(jīng)元和突觸的百萬(wàn)倍以上，一旦通過(guò)涌現方式產(chǎn)生智能，后果難以預料，對人類(lèi)來(lái)說(shuō)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(kāi)。

　?。S鐵軍，作者系北京大學(xué)計算機科學(xué)技術(shù)系主任）