类脑计算,他们从0到1

张悠慧与学生们在开组会。清华大学供图

想象有一天,机器可以像人一样思考和处理问题,这对于21世纪的我们早已不是一个陌生的话题。人工通用智能的梦想鞭策着人类不断探索脑科学的奥秘与用机器模拟生物神经网络的结构和信息加工的潜力,而后者就是我们所说的类脑计算,也叫神经形态计算。

然而,目前的类脑计算研究尚处于起步阶段,国际上还没有形成公认的技术标准与方案。10月14日,清华大学计算机系张悠慧团队和精仪系施路平团队与合作者在《自然》杂志发表题为《一种类脑计算系统层次结构》的论文,填补了类脑计算系统领域完备性理论与相应的类脑计算系统层次结构方面的空白。

这是一年多来,清华团队在类脑计算领域继“天机芯”和“多阵列忆阻器存算一体系统”之后于《自然》正刊发表的第三篇成果,也是国内计算机体系结构领域首篇《自然》论文。

为类脑计算系统领域提供“准绳”

如果说,“图灵完备性”是通用计算机领域的“圭臬”,那么“类脑计算完备性”则是希望也能够为类脑计算系统领域的发展提供一个“准绳”。

通用计算领域有两个著名概念,一个是“图灵完备性”,另一个是“冯·诺依曼体系结构”。前者用来衡量计算系统是否能够用来解决通用计算问题,后者则是通用计算机运作的体系结构,该结构具有存储部件与计算部件分离、程序与数据统一存储等特性。这两个基本概念几乎构建起了目前所有处理器、计算机、手机等设备的基本架构。

然而,现有类脑计算系统研究却没有这样的理论架构。类脑计算软硬件间的高度耦合阻碍了它们在独立发展的同时互相兼容的可能性,如何突破这一局面,扩展类脑计算系统的应用场景?这成了团队下决心要解决的重点问题。

“通用计算领域的图灵完备性和冯·诺依曼体系结构都是非常基础、大家也非常熟悉的概念,以至于很多人都不会意识到,对于新兴的类脑计算系统领域,这是一个需要首先解决的问题。”计算机系研究员张悠慧说。

从传统通用计算机的设计哲学和方法论中汲取灵感和经验,团队针对类脑计算不像通用计算注重每一个计算过程的精确而更注重结果拟合的特性,提出了对计算过程和精度约束更低的类脑计算完备性概念,并且设计了相应的类脑计算机层次结构:图灵完备的软件模型,类脑计算完备的硬件体系结构,以及位于两者之间的编译层。

另外,通过构造性转化算法,任意图灵可计算函数都可以转换为类脑计算完备硬件上的模型,这意味着,类脑计算系统也可以支持通用计算,极大地扩展了类脑计算系统的应用领域,也使类脑计算软硬件各自独立发展成为可能。

“通俗来讲,‘完备性’可以回答系统能够完成什么、功能边界在哪里等问题。研究完备性,可以为软硬件系统的解耦合、划分不同研究领域间的任务分工与接口提供理论基础,我们的研究聚焦完备性理论研究,先回答基本的问题。”张悠慧说。

交叉学科的“火花”,成就《自然》“三连发”

这一突破,是学科交叉的成果。

类脑计算属于交叉研究领域,涉及脑科学、电子、微电子、计算机、自动化、材料以及精密仪器等多个学科。学科交叉意味着研究中需要集各科之所长,但是专业壁垒却增加了学科之间互相理解、协同配合的难度。如何让一个生物学家不必深入钻研计算机理论却依然能理解进而将自己的专业前沿成果结合到类脑计算当中?这是交叉研究项目面临的现实问题。

《自然》杂志审稿人说,这项研究“使得相关研究领域间的任务分工与接口更为清晰,有利于不同学科的研究人员专注于其专业领域、促进协同发展”。

2019年,一辆“成了精”的自行车成为网络热点。这辆无人自行车可实时感知周围环境,自己保持平衡骑行。而它的“大脑”,正是施路平教授团队研制的“天机”(Tianjic)人工通用智能芯片。这款由中国自主研制的芯片,更是全球首款异构融合类脑芯片。2019年8月1日,它登上了最新一期《自然》杂志的封面。

而此次文章的发表,意味着清华大学相关团队在一年多的时间内完成了类脑计算领域《自然》正刊三连发——从“天机芯”登上《自然》封面开始,到2020年年初的的文章(微纳电子系吴华强教授团队与合作者),直至此次一文,上述论文分别从“异构融合的新型类脑计算芯片与系统”“基于忆阻器件的神经形态芯片”,以及“类脑计算完备性与系统层次结构”等角度完成了类脑计算领域的首次实现。

事实上,只有不让研究人员分心,专于所长,推动各个具体学科领域的技术突破,才能为类脑计算提供更加坚实的基础和支持。

“施路平教授团队的研究面向新型类脑计算芯片与系统,是在面向人工通用智能的应用方面开展工作,可以说是我们工作的牵引。而吴华强教授团队在新器件、新工艺层面的创新,则是我们工作的推动。对于我们研究的计算机系统结构而言,两者都是重要的支撑。”张悠慧说:“我们很荣幸能参与其中,进一步探索计算理论和计算系统架构的问题。”

据了解,清华大学对学科交叉要求极高的类脑计算研究高度重视,坚持有组织的科研,于2014年9月创立由7家院系联合而成的类脑计算研究中心,精仪系施路平教授担任中心主任。中心融合了脑科学、电子、微电子、计算机、自动化、材料以及精密仪器等学科,进行全方位类脑智能研究。

尽管文章从投稿到最终发表经历了不到一年的时间,但这项成果的产生并不是一蹴而就的。在类脑计算系统设计和编译技术上,团队就已经在过去几年的不懈研究中打下了坚实的基础,加之此前清华在类脑领域新进展的借鉴与启发,都为这次类脑计算完备性和类脑计算系统层次结构的提出,提供了技术和方法上的支持。

“小团队”的“大项目”

在学科“大咖”的支持和青年“后浪”的努力下,这个“小团队”最终做成了类脑计算系统理论与原型构建的“大项目”。

从今年春节前夕投稿,到8月上旬正式被接收,论文的两轮修改都是在疫情期间完成的。整个审稿过程无法在线下交流讨论和开展实验,对于团队而言无疑是一个挑战。“但从另一个角度看,因为疫情期间哪儿也去不了,我们能更加潜心和专一地去做好这一件事。”张悠慧说。

研究小组努力克服交流不便、实验数据处理困难等问题,对文章的实验设计做了较大补充与改进。

“一开始审稿人认同我们研究问题的意义,但是并不理解我们对于研究问题的解决思路,对于是否有必要进行底层的计算理论设计,审稿人提出了质疑。”计算机系博士后渠鹏说,“但是通过对整体行文逻辑、文章内容和原型实验的反复斟酌修改,以及对研究思路和质疑点的一一反馈,审稿人最后认同了我们的设计理念。”

今年刚毕业的博士生季宇是完成计算完备性相关工作的关键主力,因为在科研方面的优异表现,他的博士论文也被评为清华大学优秀博士论文。另一位文章的共同第一作者是精仪系的张伟豪,师从施路平教授的他提出了能够充分利用类脑计算完备性的硬件抽象体系结构与映射方法,施路平教授的另一位博士生王冠睿则负责了全部硬件工作。大家各取所长,共同搭建起了类脑计算系统的层次结构。

70多页的反馈文件,一次又一次地讨论、修改、迭代,见证了团队一步一步迎难而上的努力。“当审稿人说我们的研究明确了不同领域的分工和接口,将对类脑计算的交叉研究产生积极作用时,我真的很受鼓舞,感觉到自己研究的东西是十分有意义的,也是被类脑计算社区所认可的。”渠鹏说。

施路平表示,未来,在理论层面,团队将更关注类脑应用的“神经形态特性”,并希望最终建立起一个与图灵完备相对应的全新类脑计算理想范式;在系统层面,团队将依托计算机系高性能所在超算与芯片方面的雄厚实力,研发受脑启发的支持通用计算的新型计算机系统结构与芯片。

“尽管目标远大,道阻且长,但日积跬步,终将到达千里之外。至于是否能实现最初的梦想,时间会给所有的努力一个答案。”施路平说。

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不断定义豪华新高度 | 奔驰S级臻藏版引领天下之势
说到梅赛德斯-奔驰S级轿车,相信很多朋友都是非常熟悉和了解的,可以说S级轿车在奔驰家族以及整个汽车行业中一直处于领先的地位,无论在车型设计、灯光、发动机、底盘、驾驶辅助和安全配置等各个领域都始终引领天下之势。

不断定义豪华新高度 | 奔驰S级臻藏版引领天下之势
要知道作为一个拥有134年历史汽车品牌的旗舰车型,S级一直以来都是奔驰品牌前沿科技与豪华品质的代表。而目前在售的奔驰S级臻藏版更是集舒适安全、科技智能和豪华尊贵于一身的用心之作。梅赛德斯-奔驰S级诞生之初到现在,已经历多个阶段共十代车型的更迭,而每一代车型的发布都推动着当时汽车行业和市场的向前发展。

1951年,第一代S级轿车上市,优秀的安全性和舒适性使其受到广大消费者青睐,也由此开启了S级系列车型的传奇之旅。之后的第二代S级首次采用了承载式车身,大幅提升安全性和驾驶性能。第三代S级则将被动安全概念带入了大众视野,而第四代车型又凭借简洁的线条、内敛而高贵的外观享誉世界,引领了当时汽车设计的趋势。

1972年上市的第五代S级轿车,可以说是具有里程碑意义的一代。这一代S级从外观到内饰配置都体现出超前的科技感和豪华感,首款量产的ABS防抱死刹车系统也出现在这代S级上。紧接着第六代车型在豪华感升级的基础上,首次使用了安全气囊的设计,在安全性能方面傲视同侪。

来到1991年,梅赛德斯-奔驰S级第七代车型上市,这也是首款正式进入中国市场的S级轿车。这款绰号为“虎头奔”的 S级轿车一度风靡国内市场,成为将尊贵感展露无遗的“老板车”。从这代S级开始,到第八代,第九代,直至现在的第十代,梅赛德斯-奔驰S级轿车以经典的V12发动机技术、ESP系统、BAS辅助刹车系统、碰撞预防辅助系统增强版和智能车身控制系统等多项创新技术,始终稳坐业界的领头羊地位,而其在豪华舒适、前沿科技和稳定安全方面的硬实力,也为其在中国收获了众多忠实用户。

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现款第十代S级轿车的收官之作以“臻藏版”命名,从这个名字不难看出,这款车型是S级系列当之无愧的顶尖旗舰车型。

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梅赛德斯-奔驰S级轿车臻藏版的前脸承袭了这一代经典的设计。双幅盾型前格栅,辨识度极高的三线式日行灯,多点几何多光束LED智能大灯及一体式贯穿镀铬设计的保险杠,让整个前脸看起来依然稳重大气。

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车身侧面延续了梅赛德斯-奔驰S级历来的传统,线条非常流畅,配上19/20英寸多幅式轮毂,彰显了S级轿车臻藏版的尊贵和优雅。整车长度超过了五米二,轴距更是超过了三米一,保障了其内部充足的舒适空间。

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尾部设计也遵循了经典风范,其中LED星辰式尾灯颇具标识性,且无论昼夜,轮廓均清晰可见。

梅赛德斯-奔驰S级轿车的内饰设计一直都是行业的标杆,深受广大用户的喜爱。S级轿车臻藏版的内饰同样采用比较经典的环抱式设计风格,设计灵感来自于豪华游艇,把豪华感、科技感、舒适感和实用性完美地融合到了一起。

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方向盘采用实木和真皮相间的设计,握感舒适,与中控及两侧门上的实木饰板相呼应,彰显出尊贵的质感。同时,三幅式的方向盘设计增加了不少时尚运动的感觉。

中控位置的实木饰板上镶嵌了四个空调出风口和一个经典的表,下方控制空调的实体按键呈弧形排列,与饰板下边缘完美融合,非常美观。集成了液晶仪表和中控屏的双12.3英寸经典大联屏完美地镶嵌在中控台上,彰显了豪华的科技感,要知道这款屏在当时首次推出就惊艳了整个业界,之后被各品牌争相效仿。

宽大舒适的真皮座椅遵循人体工程学设计,整体支撑性和包裹性都非常强,同时具有多项调节、加热通风和按摩功能,坐上去的感受堪比头等舱。

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顶尖的NVH处理技术,加上13个扬声器的柏林之声(Burmester)音响系统,在前后排座椅环绕立体声功能和音响优化技术的加持下,让车内瞬间变成豪华优雅的音乐厅。

来到梅赛德斯-奔驰S级臻藏版的后排,才能真正体会到极致的豪华感和舒适感。后排多媒体娱乐屏、中央扶手区的多功能控制屏、全电控调节的天窗和遮阳帘以及各种老板键都能让你感受到梅赛德斯-奔驰S级专为后排乘客设计的贴心设置,不愧为豪华D级轿车的标杆。

除了这些表面能看得见摸得着的配置外,梅赛德斯-奔驰S级轿车臻藏版还拥有诸多隐藏的高级配置,如集多区域智能空调系统、64色智能环境氛围照明系统、智能座椅按摩系统、智能香氛喷雾/负离子发生器和多种驾驶模式于一体的“畅心醒神”功能。

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先进的约束系统及预防性安全系统,2.0版本的最新声控系统,最新一代驾驶室管理和数据系统以及联网功能,各种主被动安全辅助系统、驾驶辅助和自动驾驶系统等等,每一项高科技的功能配置在同级乃至业界都处于领先水平。

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梅赛德斯-奔驰S级轿车臻藏版的动力单元配置也同样出色,全系搭载代号为M256的3.0T直列六缸涡轮增压发动机+48V轻混系统,传动系统则标配9速自动变速箱。这套动力总成在动态操控系统和空气悬挂系统的加持下,让行驶品质得到了极致的提升,完美地呈现出S级轿车臻藏版的平顺、舒适和安全。

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写在最后,作为梅赛德斯-奔驰轿车的旗舰车型,S级轿车的每次升级换代都基于对客户需求的深度理解,不断定义豪华新高度,引领着豪华轿车的潮流。而作为现代汽车的发明者,梅赛德斯-奔驰始终在不断开拓创新,以完美的设计和顶尖的技术不断引领和驱动着行业的发展。


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