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    重磅!我國科學家研發全球神經元規模最大的類腦計算機,“腦容量”堪比小鼠

    類別:社會新聞發布人:聯迪發布時間:2020-09-02

    芯東西9月2日消息,我國類腦計算技術發展迎來新里程碑:億級神經元類腦計算機重大成果于9月1日在杭州正式發布。

    3臺1.6米高的標準服務器機柜并排而立,紅色的信號燈連續閃爍,這臺名為Darwin Mouse的類腦計算機,由浙江大學聯合之江實驗室共同研制成功。

    ▲Darwin Mouse類腦計算機

    這是我國第一臺基于自主知識產權類腦芯片的類腦計算機,也是目前國際上神經元規模最大的類腦計算機。

    據悉,Darwin Mouse包含792顆浙江大學研制的達爾文2代類腦芯片,支持1.2億脈沖神經元、近千億神經突觸,神經元數量規模與小鼠大腦相當,典型運行功耗只需要350-500。

    類腦計算機通過模擬人腦結構與運算機制,突破傳統計算架構存在的瓶頸,被視作解決人工智能(AI)等計算難題的重要路徑之一。

    ▲研究團隊合影

    該億級神經元類腦計算機是浙江大學“雙腦計劃”的重要成果。

    近年來,浙江大學聚焦人類智能與機器智能等核心領域,實施了簡稱為“雙腦計劃”的腦科學與人工智能會聚研究計劃,希望借鑒大腦結構模型和功能機制,將腦科學的前沿成果應用到人工智能等研究領域,建立引領未來的新型計算機體系架構。

    除打造類腦計算機外,該研究團隊還研制了專門面向類腦計算機的操作系統——達爾文類腦操作系統(DarwinOS),實現對類腦計算機硬件資源的有效管理與調度,支撐類腦計算機的運行與應用。

    目前,該類腦計算機已運行多種智能任務,包括多機器人協同抗洪搶險、聽歌識曲、意念打字等。

    一、模擬生物大腦,顛覆傳統計算架構

    現有計算機大多基于馮·諾依曼架構,數據存儲與計算分離,但隨著摩爾定律趨緩,這一傳統架構的局限性越來越明顯。

    數據在存儲與計算單元間傳輸所帶來的通信帶寬、延遲和功耗,已成為影響當代計算機系統性能提高的關鍵阻礙。

    在研究團隊負責人、浙江大學計算機科學與技術學院教授潘綱看來,這種計算模式制約了以大數據為代表的計算性能提升。

    潘綱認為,數據驅動的智能算法、訓練需要海量樣本與密集計算,但舉一反三、自我學習等高級能力比較差,“現在的機器智能離人的智能差得還很遠?!?/span>

    如何突破傳統計算架構存在的存儲墻、功耗墻等瓶頸?

    模擬生物大腦被科學家們視為有效之徑。

    杜克大學認知神經科學中心的斯科特·胡特爾曾說過:“在已知的宇宙中,人類的大腦是最復雜的東西,它復雜得讓試圖解釋它的簡單模型可笑,讓精致的模型無用?!?/span>

    在自然界中,生物大腦在與環境相互作用過程中,能自然產生覓食、交流、決策、嗅覺識別、視覺識別等各種智能行為,同時消耗的能量非常低。

    即便是大腦神經元遠低于100萬的昆蟲,也能做出滿足生存需求的各種智能行為。

    而用硬件及軟件模擬大腦神經網絡結構和運作機制的新型計算模式,被稱為類腦計算。

    ▲類腦計算機應用演示:嗅覺識別

    類腦計算的特點在于存算一體、事件驅動、高度并行等,模擬生物的神經元行為,通過脈沖傳遞信號,能實現高度并行,相較傳統計算機效率更高、能耗更低。

    此前,浙江大學在2015年和2019年分別研制成功達爾文1代和達爾文2代類腦計算芯片,用芯片去模擬大腦神經網絡的結構與功能機制,能以高效能低功耗處理圖像、視頻、自然語言相關任務。

    此次發布的重大成果,即是將792顆達爾文2代類腦計算芯片集成于3臺1.6米高的標準服務器機箱中,形成一臺強大的機架式類腦計算機。

    二、搭配類腦操作系統,已實現多機器人協同、聽歌識曲和意念打字

    據項目研究骨干金孝飛介紹,每顆芯片上有15萬個神經元,每4顆芯片做成一塊板子,若干塊板子再連接起來成為一個模塊。

    ▲Darwin Mouse類腦計算機

    說起來輕巧,但要讓這么多神經元能夠實現高效的聯動組合和信息流分配,還需要軟件的助力。

    為此,研究團隊還研發了一個專門面向類腦計算機的類腦操作系統——達爾文類腦操作系統(DarwinOS)。

    該操作系統面向馮·諾依曼架構與神經擬態架構的混合計算架構,實現了對異構計算資源的統一調度和管理,為大規模脈沖神經網絡計算任務提供運行和服務平臺。

    金孝飛說:“目前達爾文類腦操作系統的功能任務切換時間達微秒級,可支持億級類腦硬件資源管理?!?/span>

    在此基礎上,類腦計算機既能應用于生活中的智能任務,也能用于神經科學研究。

    目前,浙江大學與之江實驗室的科研人員基于Darwin Mouse類腦計算機已經實現多種智能任務。

    比如,以類腦計算機為智能中樞,實現抗洪搶險場景下多個機器人的協同工作。該任務涉及到語音識別、目標檢測、路徑規劃等多項智能任務的同時處理,以及機器人間的協同。

    ▲類腦計算機應用演示:多機器人協同抗洪搶險

    3臺外形相似的機器人,分別承擔巡邏、搶險、營救任務,在經過簡單訓練后,合作展開抗洪救險任務。

    1號機器人巡邏發現堤壩缺口后,會呼叫3號機器人來修壩,同時搜尋受傷人員,當發現傷員,會呼叫2號機器人來救援,然后1號再到其他地方繼續巡邏。

    這些機器人的功能并非固定的,而是可以通過不同腦區來操控,給1、2、3號機器人指配各種不同的任務。

    另一個實驗是是“聽歌識曲”,課題組成員唱一首歌的其中兩句,然后計算機通過回想將后續的歌曲內容“唱”出來。

    據項目研究骨干唐華錦教授介紹,這是類腦計算機通過模擬海馬體記憶機制,實現對大腦內部記憶信息的存取,與我們常用的檢索功能不同。

    ▲類腦計算機應用演示:模擬海馬體的記憶回想

    Darwin Mouse類腦計算機通過借鑒海馬體網絡結構以及神經機制建立記憶模型架構,可以模擬海馬體的記憶-學習功能,通過記憶的脈沖編碼,同一模型就可以學習與記憶語音、歌曲、文本等不同類型數據。

    借助類腦計算機,研究人員還實現了腦電信號的穩態視覺誘發電位實時解碼,可“意念”打字輸入。

    結語:類腦計算將成為未來計算的重要平臺

    當前,類腦計算研究仍處于初級階段,與真正的人類大腦還相差甚遠。

    浙江大學和之江實驗室研究員的目標是,希望隨著神經科學發展和類腦計算機的系統軟件、工具鏈及算法的成熟,有朝一日能夠讓類腦計算機像馮·諾依曼架構計算機一樣通用化,真正像大腦一樣高效工作,與馮·諾依曼架構并存與互補,去解決不同的問題。

    之江實驗室朱世強透露,研究團隊下一步將繼續研發支撐更大神經元規模的類腦計算機軟硬件技術體系,并逐步實現開源開放。

    浙江大學校長吳朝暉院士表示,類腦計算機將成為未來計算的主要形態和重要平臺,將在模擬腦功能、高效實現AI算法、提升計算能力等方面發揮重要的獨特作用。

    面向未來,學科交叉會聚將成為解決重大問題的新方法,基于多學科、多領域的系統創新將成為研制類腦計算機的有效形式。

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