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。

【漯河高中获“清华大学优质生源中学”匾牌】10月31日下午,漯河高中清华大学优质生源中学授牌仪式举行。清华大学河南招生组组长谢旭东,清华大学河南招生组漯河招生负责人牛洁梅,河南清华校友会副会长李建军,清华大学漯河校友会会长、河南校友会副会长张居正,漯河市市委教育工委委员、市教育局党组成员、教育局副局长刘盘松等出席。#漯河身边事#

在热烈的掌声中,谢旭东向漯河高中授“清华大学优质生源中学”匾牌,并为同学们作报告。张居正结合自身在清华求学经历,希望同学们做一名全面发展的优秀学生,并要自强不息,圆梦清华。

漯河高中党委书记、校长王海东希望同学们要有远大的理想,树立凌云志,敢为天下先。高中是人生最关键时刻之一,同学们要把握好人生选择,一定要有高标要求,厚积而薄发,要不断努力,不断进步,持续努力,坚持不断的努力。奋斗的过程是痛苦的,而奋斗的结果是甜蜜的。待到苦尽甘来时,在美丽的清华校园又相见。

据了解,近年来,漯河高中因办学业绩卓著,成为清华大学、中国科技大学、中国人民大学、武汉大学优质生源基地,被评为河南省首批示范性普通高中、省新课程改革样本校、首批“河南省普通高中多样化发展试点学校”的“综合创新高中”,是全国教育科学规划教育部优秀科研基地、全国师德建设先进集体、全国教育系统先进集体、全国课改名校。

漯河高中的教育教学工作在全市和全省处于领先水平,近五年共有五名学生在省青少年科技创新大赛捧回八个一等奖;在漯河市教学质量评估测试中,各项指标均居全市第一;连续18年夺得高考前十名占有率、应届生上线率、重点大学进线率、净增长率全市第一;高考连创辉煌:获河南省第一名1次;省理科第二名3次,漯河市近10年的文理科20个第一名,漯河高中占有18个;近5年漯河高中有35人被清华大学录取;近10年漯河高中有58人被清华大学录取;其中2019年,漯河高中有11人被清华大学录取。

【救人之難。】

  我們接著昨天晚上講的地方來細講。我們前面再重複念一遍,前面我們昨天講到「發明」這一段。

  發明【難有多端。約言之。不出七種。一水。二火。三官非。四盜賊。五刀兵。六饑饉。七疾疫也。在水火者。以拯拔為救。在官非者。以昭雪為救。在盜賊刀兵者。以脫離為救。在饑饉者。以財帛為救。在疾疫者。以醫藥為救。救均發於至誠。見人之難。如己之難。盡其智謀。竭其財力。使救之之念。十分圓滿而後已。】

  前面這段昨天也大概跟大家講過,可能有今天才來的同修,我們把昨天講的這段,再簡單講一遍。《文昌帝君陰騭文》,「陰騭」就是我們一般講的陰德,積陰德、積陰功。這個陰功殊勝,完全在存心。在我們這個世間,災難很多,『難有多端』,很多。把它歸納起來,『約言之,不出七種』。第一個就是『水』災;第二個『火』災;第三『官非』,就是法院訴訟,打官司;第四『盜賊』,遇到強盜小偷;第五『刀兵』,就是戰爭;第六『饑饉』,鬧饑荒,沒有糧食可以吃;第七『疾疫』,疾病,遇到重病、惡病、傳染病。歸納這七大類,這是歸納,當然災難不止這七種。你看包括其他的災難,風災(颱風、颶風),地震(海嘯、山崩地裂),地層下陷,這些統統包括在這裡面。這裡是把它歸納起來講,實在講「難有多端」,很多。我們以此類推,舉一反三,凡是這些天災人禍,統統是災難。

  災難主要講的都是我們可以看得到的,有形的。水災、火災,當然要拯救,要去救拔。人掉到水裡面,要去把他救起來;房子失火了,要去滅火,救人滅火,『以拯拔為救』。『在官非者』,打官司,『以昭雪為救』,替他主持公道,替他洗刷冤情。在政府法院當法官的,或者在民間當律師的,這方面他們專業,他們只要有仁義道德,就會幫助人解除這些官司的災難。在法院裡面,我們每年到司法院,七月份去做繫念法會,有些學佛的法官,我聽他跟我講,有人要訴訟,他盡量勸他們和解、化解,這是正確的。實在講,打官司,打贏也好,打輸也好,最後都是雙輸,花時間,花精神,花金錢。『在盜賊刀兵者,以脫離為救』,幫助他脫離災難的險境。『在饑饉者,以財帛為救』,饑荒,缺乏物資,當然要以財物來救助。『在疾疫者』,疾病,『以醫藥為救』。這些舉出七個例子,其他可以以此類推。

  『救均發於至誠』,救人之難都要發自於至誠心。什麼叫至誠心?下面給我們講,『見人之難,如己之難』。看到人家遭受到災難,不管哪方面的災難,就如同自己遭受那個災難,感同身受。有這樣的存心,當然去救難,就會『盡其智謀』,盡自己的智慧能力,以及盡自己的財力、物力,盡心盡力去救助。『使救之之念,十分圓滿而後已』。救難的心念是十分圓滿,發自於至誠心,盡心盡力,功德就圓滿。這是給我們講救難,「救人之難」。

  發明【難至而救。救之有形者也。】

  災難到了,我們去救助、去救濟,這是救有形的災難。譬如我們台灣每年發生颱風、水災,大家都會去救濟;地震,這些大家也會去救濟;水火,這也常常有發生這樣的事情。去救已經發生的災難,是『救之有形』,有形的災難。我們一般社會大眾講到救難,都是屬於救有形的災難。

  發明【孔子所謂聽訟吾猶人也。復有一法。使人自然無難。其功更有倍焉。則孔子所謂使民無訟矣。】

  這段就是再給我們舉出,為什麼講救難,「難至而救」,是救有形之難?給我們說明。我們一般都是救有形的災難,周安士居士舉出孔子說的話,『孔子所謂聽訟吾猶人也』,必也使民無訟乎!「聽訟」就是訴訟,法院打官司。聽到人家訴訟打官司,不管打贏打輸,總不是好事,總希望他們能夠和解,希望不要去訴訟,這樣是最好的。所以能夠化解,不要去訴訟,那是最好的。不要鼓勵人家去訴訟,訴訟也是不得已的,能夠化解盡量化解是最好。『則孔子所謂使民無訟矣』,讓這些人民不要上法院去訴訟,那是最好的。如果已經在訴訟去幫助他,總不如沒有訴訟的好,這是必然的。這一段重點就是給我們講,我們一般人救難都是救有形的災難,另外還有一個方法,『使人自然無難』,就是讓他不要遭遇這些災難,那不是更好嗎?

  我就講「救災」跟「息災」兩個性質不一樣,一個救災,一個息災。救災,就是災難發生了,我們趕快去救,去處理善後。息災,就是災難沒有發生,我們化解這個災難,讓這個災難不要發生,這個叫息災。我說救災跟息災兩個概念不一樣的。

周安士居士講,「復有一法,使人自然無難,其功更有倍焉」。你災難發生去救,還有一個方法,讓人家沒有災難,那功德不就更大!災難發生,你去救效果有限,實在講,是處理善後。所以下面的文就說明這個道理,為什麼讓人家自然沒有災難,功德就更大、更殊勝?

  發明【何則。】

  『何』就是為何,什麼原因?這講個理由,是什麼理由?

  發明【人之患難。皆前業所致。】

  這講到因果了。人一生當中遭遇患難,遭遇到災難,這是果報。果報怎麼來的?前生造惡業所導致的。前生造的業,不善的業因,這一生果報成熟了,要受這個惡果。

  發明【今世不種苦因。來生自無苦果。】

  我們知道這一生遭受的患難是前生造惡業所致的,如果這一世我們明白了,這一世我們就不種苦因了,來生自然沒有苦的果報。

  發明【若能勸人不造殺盜淫妄之業。則救人之難亦多矣。】

  這個難社會大眾不知道要去救!如果能夠勸人不要造殺盜淫妄這些惡業,那真是救難於無形,救人之難,實在是太多太多了。現在實在講,遇到水災、火災、地震、風災,天災人禍,這個是災難,現在還有更普遍更嚴重的災難,世間人還沒感覺。現在當父母的常常感嘆子女不聽話、叛逆;當老師的,感嘆學生不聽話、不好教。這是不是災難?做父母的一天到晚操心兒女,操心到死還在操心,是不是災難?這個災難,一般人就不懂了。還有現在社會上邪知邪見充滿了世界,這個思想的毒素到處都是。《楞嚴經》佛給我們講,「末法時期,邪師說法,如恆河沙」。中了邪知邪見的毒素,錯誤言論的誤導,這個災難現代人不知道,這個災難是形影不離。你看那個有形的災難,發生一下也就過去了,也就是這樣。但是你精神受的這個災難,生生世世跟著你,如影隨形。這個災難世間人不知道,正在受這個災難,他也不知道,他也不覺悟;不覺悟,將來都到三惡道去了。三惡道那個災難,我們人間怎樣大的災難,都沒有三惡道那個災難那麼嚴重,去做畜生,墮餓鬼道、墮地獄道,那個災難世間人他不知道。所以這裡講,『若能勸人不造殺盜淫妄之業』,「業」是惡業,『則救人之難亦多矣』,不但救現前這些災難,還救他來生不墮三惡道,能生到人天善道。你看這個跟救有形之難,當然這個功德不能相提並論。

  發明【是故救難於已然。所救有限。救難於未然。其救無窮。】

  『救難於已然』,就是已經發生的,你『所救有限』。『救難於未然』,就是還沒有發生,『其救無窮』,要讓它不要發生,救這個難就無窮無盡,這個功德才是最殊勝、最圓滿。

  發明【救難於已然。凡夫之善行。救難於未然。菩薩之修持。二者並行不悖。】

  兩方面沒有衝突,就是我剛才講的西雅圖淨宗學會那個例子,你去救濟跟你念佛,一個救災,一個息災,『兩者並行不悖』,沒有衝突。此地講的,『救難於已然,凡夫之善行』,因為凡夫只知道災難發生去救,這是凡人的善行。『救難於未然,菩薩之修持』,菩薩有智慧,眼光看得遠、看得深,菩薩「救難於未然」,就是災難還沒有發生,讓它化解。所以我們淨老和尚,在他的家鄉廬江提倡百七繫念護國息災大法會就是「菩薩之修持」,他才懂得去化解這個災難,用什麼方法來化解災難、來止息這個災難。這個不是菩薩,一般凡夫他不知道,智慧達不到。一般凡夫看得到的,他才知道要去救難。因此這兩方面,我們學佛人更要深入的救難於未然,防範,讓它不要發生,這個更為重要;已經發生的,必定要去救助。這段就是給我們發明救人之難這個道理,救什麼難。


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