我科學家在類腦計算體系結構領域再獲突破性進展。清華大學計算機科學與技術系張悠慧團隊、 精密儀器系施路平團隊與合作者首次提出“類腦計算完備性” 以及軟硬件去耦合的類腦計算系統(tǒng)層次結構， 填補了類腦研究完備性理論與相應系統(tǒng)層次結構方面的空白， 有利于自主掌握新型計算機系統(tǒng)核心技術。 該成果于2020 年10 月14 日以《一種類腦計算系統(tǒng)層次結構》 為題發(fā)表在《自然》 雜志上。

類腦計算是借鑒生物神經系統(tǒng)信息處理模式和結構的計算理論、 體系結構、 芯片設計和應用模型與算法的總稱。近年來， 類腦計算研究受到越來越多的關注。 歐盟人腦旗艦研究計劃項目指出： “在未來10～20 年內， 誰要引領世界經濟， 誰就必須在這個領域領先?！?/p>

張悠慧介紹， 在通用計算機領域， 圖靈完備性和馮·諾依曼體系結構是其能夠飛速發(fā)展并持續(xù)繁榮的關鍵因素，前者用來判斷計算系統(tǒng)能否用來解決任何計算性問題， 后者則是通用計算機應用運作的體系結構： “兩者使通用計算領域在軟件層、 編譯層和硬件層有了統(tǒng)一范式， 使不同層次各自發(fā)展而又可以無縫兼容?！?/p>

但現有類腦計算系統(tǒng)方面的研究多聚焦于具體芯片、工具鏈、 應用和算法的創(chuàng)新實現， 對系統(tǒng)基礎性問題， 如計算完備性、 系統(tǒng)層次結構等思考不足， 沒有形成公認的技術標準和方案， 導致軟硬件緊耦合、 應用范圍不明確等一系列問題。

為此， 上述研究團隊提出了“類腦計算完備性” 概念。 相對于通用計算機， 這一定義放松了對系統(tǒng)計算過程和精度的約束， 并提出了相應的系統(tǒng)層次結構， 即： 圖靈完備的軟件模型、 類腦計算完備的硬件體系結構和位于兩者之間的編譯層。 通過構造性轉化算法， 任意圖靈可計算函數都可以轉換為類腦計算完備硬件上的模型， 這意味著類腦計算系統(tǒng)也可以支持通用計算， 極大地擴展了類腦計算系統(tǒng)的應用領域， 使類腦計算軟硬件各自獨立發(fā)展成為可能。

“通俗來講， ‘完備性' 可以回答系統(tǒng)能夠完成什么、功能邊界在哪里等問題?！?張悠慧介紹， 如果說“圖靈完備性” 是通用計算機領域的“圭臬”， “類腦計算完備性” 則希望能為類腦計算系統(tǒng)領域的發(fā)展提供一個“準繩”。

審稿人認為， “這是一個新穎的觀點， 并可能被證明是神經形態(tài)計算領域以及對人工智能的追求的重大發(fā)展”。

據悉， 未來在理論層面， 團隊將更關注類腦應用的“神經形態(tài)特性”； 在系統(tǒng)層面， 團隊將研發(fā)受腦啟發(fā)的支持通用計算的新型計算機系統(tǒng)結構與芯片。