10月14日，清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系教授張悠慧團(tuán)隊(duì)、精密儀器系教授施路平團(tuán)隊(duì)與合作者在《自然》雜志發(fā)文，首次提出“類腦計(jì)算完備性”以及軟硬件去耦合的類腦計(jì)算系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)。該研究項(xiàng)目填補(bǔ)了類腦計(jì)算系統(tǒng)領(lǐng)域完備性理論與相應(yīng)的類腦計(jì)算系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)方面的空白。

這是一年多來，清華大學(xué)在類腦計(jì)算領(lǐng)域在《自然》正刊發(fā)表的第三篇成果，同時(shí)也是我國(guó)高校計(jì)算機(jī)系以第一完成單位/通訊單位發(fā)表的首篇《自然》論文。

據(jù)介紹，在通用計(jì)算領(lǐng)域有兩個(gè)著名概念——“圖靈完備性”和“馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)”。其中，前者用來衡量計(jì)算系統(tǒng)是否能夠用來解決任何計(jì)算性問題。后者則是通用計(jì)算機(jī)運(yùn)作的體系結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有存儲(chǔ)部件與計(jì)算部件分離、程序與數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲(chǔ)等特性。

“圖靈完備性與馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)可以使通用計(jì)算領(lǐng)域在軟件層、編譯層和硬件層具有統(tǒng)一的范式，從而使不同層次、各自發(fā)展而又可以無縫兼容?！痹诮邮堋吨袊?guó)科學(xué)報(bào)》記者采訪時(shí)，張悠慧介紹說。

然而在類腦計(jì)算研究領(lǐng)域，由于相關(guān)研究尚處于起步階段，目前相關(guān)研究大多聚焦于具體的芯片、工具鏈、應(yīng)用和算法的創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)，忽略了從宏觀和抽象層面上對(duì)計(jì)算完備性和體系結(jié)構(gòu)的思考。到目前為止，國(guó)際上還沒有形成公認(rèn)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與方案。

“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。研究完備性，可以為軟硬件系統(tǒng)的解耦合、劃分不同研究領(lǐng)域間的任務(wù)分工與接口提供理論基礎(chǔ)?！睆堄苹郾硎?，如果說，“圖靈完備性”是通用計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的“圭臬”，那么她們從事的“類腦計(jì)算完備性”研究，則是希望也能夠?yàn)轭惸X計(jì)算系統(tǒng)領(lǐng)域的發(fā)展提供一個(gè)“準(zhǔn)繩”。

在研究過程中，研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)類腦計(jì)算不像通用計(jì)算那樣注重每個(gè)計(jì)算過程的精確度，而是更加注重結(jié)果擬合的特性，提出了對(duì)計(jì)算過程和精度約束更低的類腦計(jì)算完備性概念，并且設(shè)計(jì)了相應(yīng)的類腦計(jì)算機(jī)層次結(jié)構(gòu)——圖靈完備的軟件模型、類腦計(jì)算完備的硬件體系結(jié)構(gòu)，以及位于兩者之間的編譯層。通過相關(guān)算法，任意圖靈可計(jì)算函數(shù)都可以轉(zhuǎn)換為類腦計(jì)算完備硬件上的模型?！斑@意味著類腦計(jì)算系統(tǒng)也可以支持通用計(jì)算，極大地?cái)U(kuò)展了類腦計(jì)算系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，也使類腦計(jì)算軟硬件各自獨(dú)立發(fā)展成為可能。”施路平說。

類腦計(jì)算機(jī)層次結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有通用計(jì)算機(jī)（右）的對(duì)比

對(duì)于該項(xiàng)研究，《自然》雜志審稿人評(píng)價(jià)其“使得相關(guān)研究領(lǐng)域間的任務(wù)分工與接口更為清晰，有利于不同學(xué)科的研究人員專注于其專業(yè)領(lǐng)域、促進(jìn)協(xié)同發(fā)展”。

據(jù)悉，未來在理論層面，該團(tuán)隊(duì)的科研將更關(guān)注類腦應(yīng)用的“神經(jīng)形態(tài)特性”，并希望最終建立起一個(gè)與圖靈完備相對(duì)應(yīng)的全新類腦計(jì)算理想范式；在系統(tǒng)層面，團(tuán)隊(duì)將致力于研發(fā)受腦啟發(fā)的支持通用計(jì)算的新型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與芯片。



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