日前，IBM蘇黎世研究中心宣布，制造出世界首個人造納米級隨機(jī)相變神經(jīng)元芯片，可實現(xiàn)人工智能的高速無監(jiān)督學(xué)習(xí)。外媒對此高度重視并評論道：“這一突破標(biāo)志著人類在認(rèn)知計算應(yīng)用中超密度集成神經(jīng)形態(tài)技術(shù)，以及高效節(jié)能技術(shù)上的發(fā)展又向前邁進(jìn)重要的一步。”

人工智能的火熱，被今年3月份AlphaGo與李世石的圍棋大戰(zhàn)推向高潮，本次IBM人工智能芯片的“生物神經(jīng)元”、“人腦工作方式”等“高大上”屬性更是引起了業(yè)界的廣泛關(guān)注。關(guān)于類腦計算誰將主導(dǎo)未來趨勢呢?

神經(jīng)元芯片不屬于生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)范疇

英特爾中國研究院前院長吳甘沙告訴《中國電子報》記者，關(guān)于類腦計算，現(xiàn)在也沒有一個廣為接受的定義，但現(xiàn)在基本可以看到兩個方向，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)從功能層面模仿大腦的能力，而神經(jīng)擬態(tài)計算(neuromorphic computing)則是從結(jié)構(gòu)層面去逼近大腦，其結(jié)構(gòu)也有兩個層次，一是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層面，與之相應(yīng)的是神經(jīng)擬態(tài)架構(gòu)和處理器，二是神經(jīng)元層面，與之相應(yīng)的是元器件。

大家還可以看到其他的一些名詞，比如腦啟發(fā)計算(brain inspired computing)，基本都是在上述層次里游移。IBM剛剛宣布的人工神經(jīng)元即是在神經(jīng)擬態(tài)計算方向，在神經(jīng)元結(jié)構(gòu)層面做出的努力。

“我們稱IBM關(guān)注的這類模型為‘脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)’。”北京中科寒武紀(jì)科技有限公司創(chuàng)始人兼CEO陳天石在接受《中國電子報》記者采訪時指出，“IBM在人造神經(jīng)元方面的工作，是以新器件的方式直接模仿脈沖神經(jīng)元的行為，與其前期推出的TrueNorth是一脈相承的。我們不認(rèn)為它是生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，而只是理論神經(jīng)科學(xué)家的一種數(shù)學(xué)模型。但生物的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)究竟是什么樣，神經(jīng)科學(xué)家都還是一知半解，IBM現(xiàn)在就開始模仿，可能為時過早。”

寒武紀(jì)科技的兩個創(chuàng)始人均是中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心的成員，該中心是由世界頂尖神經(jīng)科學(xué)家，美國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院外籍院士蒲慕明教授組建的，挑選了中國科學(xué)院最優(yōu)秀的腦科學(xué)和智能技術(shù)專家組建，一直密切關(guān)注著神經(jīng)科學(xué)的前沿動態(tài)。

“從新聞報道的內(nèi)容來看，IBM推出的人造神經(jīng)元是屬于脈沖型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一款芯片。”作為成功量產(chǎn)中國首款嵌入式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器芯片的企業(yè)，中星微電子集團(tuán)首席技術(shù)官張韻東的看法與陳天石相同。

作為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一種，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)CNN 是當(dāng)前人工智能機(jī)器視覺領(lǐng)域的研究熱點。

張韻東進(jìn)一步指出，IBM人工神經(jīng)元與卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器芯片(如中星微的“星光智能一號”)相比，共同之處是，都是屬于受到生物人腦機(jī)理的啟發(fā)而通過半導(dǎo)體電路與器件去實現(xiàn)的，都是采用CMOS半導(dǎo)體工藝來生產(chǎn)的。而不同之處在于，所采用的架構(gòu)和實現(xiàn)方式不同，前者采用脈沖型架構(gòu)，用數(shù)模混合電路來實現(xiàn);后者采用卷積型架構(gòu)，用數(shù)據(jù)驅(qū)動的并行數(shù)字電路來實現(xiàn)。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)更被看好?

由此看來，不管是叫神經(jīng)擬態(tài)計算，還是叫脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，IBM的這種技術(shù)路線是和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并行的一種技術(shù)路線。那么，兩種路線孰優(yōu)孰劣?

張韻東更看好人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。他認(rèn)為，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與軟件開發(fā)環(huán)境的結(jié)合更加緊密，更加易于編程，易于商用化。

陳天石也認(rèn)為，目前為止，脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比，尚有很大差距。

他舉例道，脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)無法做大尺度的圖像識別，即使是做簡單的手寫數(shù)字識別，其識別精度也還沒有上世紀(jì)80年代流行的多層感知機(jī)(經(jīng)典的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))做得好。

我們知道，寒武紀(jì)科技和中星微電子都是國內(nèi)致力于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)路線的企業(yè)，他們對IBM人造神經(jīng)元的看法是否會偏頗?

IEEE“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)先鋒獎”獲得者、Facebook人工智能實驗室負(fù)責(zé)人、人工智能深度學(xué)習(xí)權(quán)威Yann LeCun此前的評論我們可以參考。

對TrueNorth以及IBM一直關(guān)注的脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，Yann LeCun說：“這類網(wǎng)絡(luò)沒有在任何有意思的問題上表現(xiàn)出與當(dāng)前最好技術(shù)(指人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)深度學(xué)習(xí)技術(shù))接近的結(jié)果”。

回答得有點迂回，但表達(dá)的意思基本清楚。

脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片商業(yè)化還需要好幾年

條條大路通羅馬。不同技術(shù)路線的存在，也自有其生存的土壤。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是從算法向硬件發(fā)展的。吳甘沙告訴《中國電子報》記者，傳統(tǒng)的算法在通用芯片(CPU和GPU)上效率不高，于是出現(xiàn)了特定的算法加速器，來加速包括卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的各種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。比如Teradeep，它來源于Yann LeCun(上文提到的深度學(xué)習(xí)大神)的工作NeuFlow，已經(jīng)實現(xiàn)了商業(yè)化。

中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所寒武紀(jì)系列芯片在知識產(chǎn)權(quán)布局上非常獨到，也開始了商業(yè)化的探索。谷歌的TPU(Tensor Processing Unit)也是一種專用的加速器芯片，跟其深度學(xué)習(xí)軟件Tensor Flow匹配。就中短期而言，這類芯片有很好的商業(yè)化前景。

對于神經(jīng)擬態(tài)芯片，常常見諸媒體的是架構(gòu)和處理器層面的進(jìn)展。吳甘沙提出，IBM的TrueNorth芯片和高通的Zeroth芯片，兩者都基于脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。TrueNorth發(fā)源于DARPA的SyNAPSE，展示了在100mW功耗下模擬復(fù)雜的遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的能力，體現(xiàn)了這一架構(gòu)的獨特之處(但也有人指出功耗優(yōu)勢來自較低的主頻)。Zeroth的商業(yè)試用并不成功，目前已轉(zhuǎn)向人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器。

英特爾也在做脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的芯片，估計商業(yè)化還需要好幾年。即便如此，各家公司還是投入重兵，因為它所代表的新型處理范式——計算與記憶的一體化、復(fù)雜互聯(lián)、遞歸、時空編碼、異步、低精度、隨機(jī)性、高容錯等特征，有很高的研究價值。例如，生物神經(jīng)元有很多突觸連接，這在硅芯片上很難實現(xiàn)。另外，傳統(tǒng)的CPU和GPU都是同步的，實現(xiàn)神經(jīng)擬態(tài)需要異步電路。

“所以說，另一種思路是在器件方面得到突破，比如DARPA UPSIDE基于模擬芯片，有些類腦芯片基于憶阻器(memristor)，以及IBM剛剛宣布的人工神經(jīng)元，所有這些都比傳統(tǒng)的晶體管更容易實現(xiàn)類腦計算。”吳甘沙強(qiáng)調(diào)。

“IBM的神經(jīng)元新器件對脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的硬件實現(xiàn)有很大幫助，但這類模型在算法方面尚有很長的路要走。”陳天石表示，“未來也許會有突破，但近年不樂觀。”

實際上，對于人工神經(jīng)元芯片的問世，IBM自身也是非常清醒的。他們在指出“這些相變神經(jīng)元是我們到目前為止所創(chuàng)造出的行為最接近生物神經(jīng)元的人工器件”的同時，也強(qiáng)調(diào)將面臨“更難的部分——編寫一些能夠真正利用該芯片的神經(jīng)形態(tài)的軟件”。

但正如IBM所說：“我們沒有任何理由止步于此。”