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近期，一款在操場上自動駕駛的自行車風(fēng)靡了全球，它不僅可以識別語音指令，而且可以自如地躲避障礙物，還能跟隨主人跑步，而控制這輛自行車的芯片就是具有劃時代意義的“天機(jī)芯”，這款芯片由清華大學(xué)教授施路平帶隊歷時 7 年研究成功，被稱為全球首款異構(gòu)融合類腦芯片，這款芯片的成功實(shí)現(xiàn)了中國在芯片和人工智能兩大領(lǐng)域《自然》論壇零突破。
刊登在《自然》雜志上的文章《面向人工通用智能的異構(gòu)天機(jī)芯片架構(gòu)》提到，天機(jī)芯是一款新型人工智能芯片，結(jié)合了類腦計算和基于計算機(jī)科學(xué)的人工智能。天機(jī)芯在 3.8×3.8 mm2 的區(qū)域內(nèi)，差不多相當(dāng)于指甲蓋大小的芯片里，安裝了含大約 40,000 個神經(jīng)元和 1000 萬個突觸。28nm 芯片由 156 個統(tǒng)一功能核心（FCore）組成，還結(jié)合了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和生物網(wǎng)絡(luò)的基本構(gòu)建模塊 -- 軸突、突觸、樹突和體細(xì)胞塊。另外，天機(jī)芯有多個高度可重構(gòu)的功能性核，可以同時支持機(jī)器學(xué)習(xí)算法和現(xiàn)有類腦計算算法。
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類腦芯片加快自動駕駛的進(jìn)程
在自動駕駛領(lǐng)域，業(yè)界專家認(rèn)為是 5G 技術(shù)是完全自動駕駛技術(shù)的必要條件，因?yàn)樽詣玉{駛需要實(shí)時接收周邊的路況信息，才能確保車輛更安全地行駛，然而在今年 4 月特斯拉的“自動駕駛?cè)铡鄙希R斯克發(fā)布了其完全自動駕駛計算機(jī)芯片，并宣布將在一年后推出 100 萬輛 L5 級自動駕駛出租車。更讓大眾意外的是，馬斯克針對自動駕駛的演講中對 5G 只字未提，難道 5G 不是自動駕駛的必要條件嗎？
當(dāng)前，很多自動駕駛汽車已經(jīng)在進(jìn)行路測，在 5G 還未商用的情況下他們?nèi)绾紊下?？因?yàn)槟壳按蠖鄶?shù)自動駕駛公司都采用了單車智能的方式，即車輛對環(huán)境的感知和對行駛的決策都是通過車載的傳感器和計算處理單元來完成。其中自動駕駛環(huán)境感知的技術(shù)路線主要有兩種：一種是以特斯拉為代表的視覺主導(dǎo)的多傳感器融合方案；另一種以激光雷達(dá)為主導(dǎo)，典型代表如谷歌 Waymo、Uber、福特、通用等公司。就連“蔚來”無人駕駛的創(chuàng)始人李斌也認(rèn)為，“目前在自動駕駛上 5G 和人工智能是比較重要的兩個支柱，可自動駕駛不需要太過依賴 5G?！?/p>
如果從單車智能的角度來看，天機(jī)芯既支持脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，又支持人工神經(jīng)網(wǎng)路，可以讓自動駕駛汽車像人類司機(jī)一樣駕駛。從視頻中可以看出，搭載“天機(jī)芯”的無人駕駛自行車，可識別語音指令、自平衡控制、自動避障。施路平教授團(tuán)隊介紹，天機(jī)芯可以同時處理多種算法和模型，實(shí)時目標(biāo)檢測跟蹤實(shí)現(xiàn)語音控制、避障和平衡控制。
按照特斯拉宣布的時間節(jié)點(diǎn)，特斯拉的完全自動駕駛汽車在明年上路，如果將天機(jī)芯應(yīng)用于自動駕駛汽車中，國產(chǎn)自動駕駛汽車的發(fā)展也有望快進(jìn)一步。
和特斯拉的完全自動駕駛計算機(jī)芯片“異曲同工”
都說“英雄所見略同”，筆者發(fā)現(xiàn)天機(jī)芯和特斯拉的完全自動駕駛計算機(jī)芯片有著異曲同工的著力點(diǎn)，當(dāng)然天機(jī)芯的應(yīng)用范圍不只是自動駕駛領(lǐng)域，還可以擴(kuò)展到其它應(yīng)用領(lǐng)域。
從馬斯克與硬件工程副總裁皮特·班農(nóng)(Pete Bannon)的介紹特斯拉自行研發(fā)自動駕駛芯片的原因來看，是因?yàn)槭忻嫔蠜]有一個專門為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的芯片，于是特斯拉決定自己動手設(shè)計一個，并且針對性地開發(fā)軟件系統(tǒng)。值得一提的是，Bannon 此前在蘋果工作 8 年，開發(fā)了 A5-A9 電腦芯片，是馬斯克眼中“最佳芯片架構(gòu)師”。
馬斯克介紹，特斯拉自行研發(fā)的自動駕駛芯片相比此前英偉達(dá)的產(chǎn)品性能提高了 2000%，能夠處理更多數(shù)據(jù)并更快做出決策。為了增加安全冗余，特斯拉使用的全新 FSD 芯片擁有獨(dú)立的芯片系統(tǒng)架構(gòu)，每個 SoC 都有兩個 NN 加速器，可以同時執(zhí)行健康檢查計算以防軟件運(yùn)行錯誤。
由此可見， 天機(jī)芯和特斯拉都強(qiáng)調(diào)了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，特斯拉是專門搭建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，天機(jī)芯的研發(fā)主旨就是圍繞“人工通用智能”進(jìn)行了異構(gòu)，《自然》報道認(rèn)為，發(fā)展人工通用智能主要有兩個主要方向：一種基于神經(jīng)科學(xué)，試圖構(gòu)建與大腦極為相似的回路；另一種是基于計算機(jī)科學(xué)，讓計算機(jī)運(yùn)行機(jī)器學(xué)習(xí)算法，而天機(jī)芯將兩種方法集成到一個融合平臺。
2015 年，第一代天機(jī)芯問世。第一代芯片的體積約為 110 納米，只是個 DEMO（小樣）；2017 年，施路平團(tuán)隊研發(fā)了第二代“天機(jī)芯”芯片，第二代芯片具有高速度、高性能、低功耗的特點(diǎn)，體積縮小至 28 納米。相比于當(dāng)前世界先進(jìn)的 IBM 的 TrueNorth 芯片密度提升 20%，速度提高至少 10 倍，帶寬提高至少 100 倍。
多學(xué)科交叉融合的“結(jié)晶”
近幾年來，伴隨大數(shù)據(jù)的發(fā)展，人工智能也在飛快發(fā)展，人臉識別、語音識別、圖像識別等一系列 AI 技術(shù)已經(jīng)在多個領(lǐng)域開始發(fā)揮作用。但是真正的人工智能絕不能只運(yùn)行經(jīng)過訓(xùn)練的人臉識別、語音識別和圖像識別模型，還需要讓單個物體具有類似人腦的思考能力，但是并不是單純的仿人腦。
施路平團(tuán)隊認(rèn)為，仿人腦是盡可能仿制跟腦一樣的結(jié)構(gòu)，在此結(jié)構(gòu)上發(fā)揮新的計算功能。類腦是借鑒腦科學(xué)的基本原理，凝練出一些指導(dǎo)計算架構(gòu)發(fā)展的新規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，施路平團(tuán)隊提出了符合腦科學(xué)基本規(guī)律的新型類腦計算架構(gòu)——異構(gòu)融合的天機(jī)類腦計算芯片架構(gòu)，可同時運(yùn)行計算機(jī)科學(xué)和神經(jīng)科學(xué)導(dǎo)向的絕大多數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。
可以看出，天機(jī)芯是多學(xué)科融合的結(jié)晶，類腦芯片的研究融合了信息科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、材料科學(xué)等學(xué)科，施路平認(rèn)為，“發(fā)展類腦計算芯片是個世界性難題。它真正的挑戰(zhàn)不是科學(xué)，也不是技術(shù)，而是多學(xué)科融合?！贝舜伟l(fā)布在《自然》雜志上的論文共同作者來自 6 個院系，其中共同第一作者就來自精儀、生物工程、自動化和計算機(jī) 4 個系。
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