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(yuǎn)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。
無人駕駛自行車按照指令做出左轉(zhuǎn)、直行和加速動作
無人駕駛自行車“跟跑”和躲避障礙
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(jī),、微電子等）的團(tuán)隊(duì)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(jī)（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(jìn)芯片技術(shù)的結(jié)合而最終得以實(shí)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。
清華大學(xué)天機(jī)芯登上《自然》封面 | Nature
那么,，這一新技術(shù)特點(diǎn)在何,？又在軟件和硬件上實(shí)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(diǎn),，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,。
通用人工智能的學(xué)科綜合發(fā)展
當(dāng)前主流的人工智能通過模仿人腦，實(shí)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(qiáng)”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(rèn)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(jìn)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(jī)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(jī)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(kuò)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(jī)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。
天機(jī)芯測試板
得益于去中心化的存儲與核的分布,，天機(jī)芯片內(nèi)部存儲帶寬達(dá)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(dá)1.28 TOPS/W,，而利用脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(SNN)則可達(dá)到650 GSOPS/W的算力。
天機(jī)助攻,，自行車圓了“自駕夢”
為檢驗(yàn)這款芯片的處理能力,，該團(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)無人駕駛自行車,，主要有三大難點(diǎn)：一是在真實(shí)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(shí)時的馬達(dá)控制信號保持自行車平衡并朝對的方向行進(jìn),；最后一點(diǎn)是實(shí)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(jìn)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(jìn)行人體鎖定,，脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(SNN)被用來實(shí)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(shí)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(tuán)隊(duì)開發(fā)了基于脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(SNN)的神經(jīng)狀態(tài)機(jī)器(NSM),。這種機(jī)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(jìn)行運(yùn)動狀態(tài)控制。
多神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在無人自行車實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用
通過搭載強(qiáng)大的天機(jī)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(shí)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。
這輛自動駕駛自行車搭載的主要部件包括：天機(jī)芯,、各類傳感器,、驅(qū)動系統(tǒng)
天機(jī)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(shí)現(xiàn)通用人工智能路上的一大步，相信未來通用智能的實(shí)現(xiàn)會讓SIRI更智能,，機(jī)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(jī)芯片體現(xiàn)的不僅僅是行業(yè)翹楚的專業(yè)實(shí)力,，更是不同行業(yè)的科研工作者之間的團(tuán)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(jìn)一步升級以及早日實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn),。
