8月1日，清華大學(xué)研制出的一款自行車登上了最新一期全球頂尖期刊《自然》雜志（Nature）的封面！

這輛無人自行車可實(shí)時(shí)感知周圍環(huán)境。它可以在跟隨前方試驗(yàn)人員的同時(shí)自動(dòng)進(jìn)行避障操作。裝上芯片后，自行車可以根據(jù)語音指令、視覺感知的反饋產(chǎn)生實(shí)時(shí)信號，從而對電機(jī)進(jìn)行控制，以達(dá)到保持平衡，改變行進(jìn)狀態(tài)。

自行車為什么這么“聽話”？吃了“仙丹”？別說，還真是。而且清華大學(xué)科學(xué)家研制的“仙丹”還是中國制造、全球首款?？茖W(xué)家團(tuán)隊(duì)在自行車?yán)飪?nèi)部裝了一款名叫“天機(jī)”（Tianjic）的人工通用智能芯片。

這是一款中國自主研制的芯片，更是全球首款異構(gòu)融合類腦芯片。8月1日，這款由清華大學(xué)類腦計(jì)算研究中心施路平教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研制出的芯片，登上了最新一期全球頂尖期刊《自然》雜志（Nature）的封面！

     

據(jù)悉，憑借這項(xiàng)研究，施路平團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了中國在芯片和人工智能兩大領(lǐng)域Nature雜志論文零的突破。

Nature封面文章 | 中國團(tuán)隊(duì)的“天機(jī)芯”架起了通用人工智能領(lǐng)域機(jī)器學(xué)習(xí)和神經(jīng)科學(xué)的橋梁

該研究團(tuán)隊(duì)的領(lǐng)導(dǎo)者是清華大學(xué)精密儀器系教授、類腦計(jì)算中心主任施路平，成員來自清華大學(xué)、北京靈汐科技、北京師范大學(xué)、新加坡理工大學(xué)和加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校等科研機(jī)構(gòu)。

七年，磨出一顆中國“芯”

歷時(shí)7年，施路平教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)，“打磨”出了中國人自己的通用人工智能（AGI）芯片——“天機(jī)芯”。

“天機(jī)芯”作為一款新型計(jì)算機(jī)芯片，可用于實(shí)時(shí)物體檢測、跟蹤、語音識別、避障和平衡控制，是世界首款異構(gòu)融合類腦芯片，也是世界上第一個(gè)既可支持脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)又可支持人工神經(jīng)網(wǎng)路的人工智能芯片。

據(jù)Nature報(bào)道，當(dāng)前，人工智能芯片發(fā)展有兩大主流方向，一種是以神經(jīng)科學(xué)為基礎(chǔ)，試圖建構(gòu)模擬大腦的電路；另一種以計(jì)算機(jī)科學(xué)為基礎(chǔ)，通過計(jì)算機(jī)來執(zhí)行機(jī)器學(xué)習(xí)算法。

There are two main approaches to developing artificial general intelligence。 One is rooted in neuroscience， and attempts to construct circuits that closely mimic the brain。 The other is grounded in computer science， and uses computers to execute machine-learning algorithms。

然而，由于算法和模型的差別，當(dāng)前人工智能芯片均只支持人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，難以發(fā)揮計(jì)算機(jī)和神經(jīng)科學(xué)兩個(gè)領(lǐng)域的交叉優(yōu)勢。

但“天機(jī)芯”與以往的研究不同。

施路平教授表示，“我們做的是類腦（研究），是借鑒腦科學(xué)的基本原理，凝練出一些指導(dǎo)計(jì)算架構(gòu)發(fā)展的新規(guī)律。”

在此基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)提出了符合腦科學(xué)基本規(guī)律的新型類腦計(jì)算架構(gòu)——異構(gòu)融合的天機(jī)類腦計(jì)算芯片架構(gòu)，可通過資源復(fù)用，只需3%的額外面積開銷即可同時(shí)運(yùn)行計(jì)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，支持異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的混合建模，形成時(shí)空域協(xié)調(diào)調(diào)度系統(tǒng)，發(fā)揮它們各自的優(yōu)勢，既能降低能耗，提高速度，又能保持高準(zhǔn)確度。

也就是說，“天機(jī)芯”能將兩種運(yùn)作方式集合在一個(gè)混合平臺中。它具有有多個(gè)功能核心，可輕松實(shí)現(xiàn)重新配置，使其能同時(shí)運(yùn)行機(jī)器學(xué)習(xí)算法和大多數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。

“這只是非常初步的一個(gè)研究，但這項(xiàng)研究或能為面向人工通用智能計(jì)算平臺的進(jìn)一步發(fā)展起到促進(jìn)作用。”施路平表示。

據(jù)一家專注于人工智能的網(wǎng)站Synced Review報(bào)道，“天機(jī)芯”關(guān)鍵創(chuàng)新之處在于其統(tǒng)一的功能核（FCore）。該功能核結(jié)合了人造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和生物網(wǎng)絡(luò)的基本構(gòu)建基塊——軸突、突觸、樹突和胞體。

A key innovation from the research team is Tianjic‘s unified function core （FCore） which combines essential building blocks for both artificial neural networks and biologically networks — axon， synapse，dendrite and soma blocks。

“天機(jī)芯”采用28納米工藝制程打造，由156個(gè)功能核組成，包含約4萬個(gè)神經(jīng)元和1千萬個(gè)突觸，其大小為3.8×3.8平方毫米。

The 28-nm chip consists of 156 FCores， containing approximately 40，000 neurons and 10 million synapses in an area of 3.8×3.8 mm。

研究團(tuán)隊(duì)還展示了“天機(jī)芯” 與GPU相比較的優(yōu)越性：“天機(jī)芯”的吞吐量比GPU高1.6-100倍，能效提高12-10000倍。

The research team also showcased the superior performance of Tianjic compared to GPU， where the new chip achieves 1.6–100 times better throughput and 12–10000 times better power efficiency。

自行車雖小，“五臟”俱全

Nature在對該研究的介紹中肯定了“天機(jī)芯”應(yīng)用于無人駕駛自行車的試驗(yàn)。

研究人員將芯片安裝到無人自行車，來證明該芯片的強(qiáng)大功能和潛力。這款無人自行車能自我平衡，具有聲控功能，可探測并避開障礙物。這都是“天機(jī)”芯片能同時(shí)處理多種算法和模型的強(qiáng)大功能。

The researchers demonstrate the potential of this approach by incorporating one of their chips into a riderless autonomous bicycle， which can self-balance， is voice controllable and can detect and avoid obstacles， all as a result of the Tianjic chip‘s simultaneous processing of versatile algorithms and models。

Synced Review報(bào)道稱，這款搭載“天機(jī)芯”的無人自行車系統(tǒng)，還裝備了IMU傳感器、攝像頭、轉(zhuǎn)向電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、調(diào)速電機(jī)和電池等，使其能執(zhí)行實(shí)時(shí)目標(biāo)探測、跟蹤、語音命令識別、過障、自動(dòng)避障、自平衡和自主決策等行為。

Equipped with the Tianjic chip and IMU sensor， a camera， steering motor， driving motor， speed motor and battery， the bicycle was tasked with performing functions such as real-time object detection，tracking， voice-command recognition， riding over a speed bump， obstacle avoidance， balance control and decision making。

研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了多種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來完成每項(xiàng)任務(wù)。這些模型經(jīng)過預(yù)先訓(xùn)練并編程到“天機(jī)芯”上，“天機(jī)芯”可并行處理這些模型，實(shí)現(xiàn)多種模型之間的無縫片上通信。

The research team developed a variety of neural networks （CNN， CANN， SNN and MLP networks） to enable each task。 The models were pretrained and programmed onto the Tianjic chip， which can process the models in parallel and enable seamless on-chip communication across different models。

施路平認(rèn)為，人工通用智能芯片能夠成功，多學(xué)科深度融合才是關(guān)鍵。

研究團(tuán)隊(duì)介紹，他們希望“天機(jī)芯”可被用于無人駕駛汽車和智能機(jī)器人上。他們已經(jīng)開始投入第二代芯片的研究，研發(fā)階段預(yù)計(jì)會在明年初結(jié)束。

The research team told Chinese media they expect the Tianjic chip to be deployed in autonomous vehicles and smart robots。 They have already started research on the next-generation chips and expect to close the R&D stage early next year。