AI12人工智能-類腦智能

人工智能導(dǎo)論

Introduction

toArtificialIntelligence

第十二章史忠植

中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所/2023/10/20史忠植人工智能導(dǎo)論：類腦智能1類腦智能Brain-LikeIntelligence2023/10/20史忠植人工智能導(dǎo)論：類腦智能2內(nèi)容提要12.1概述 12.2大數(shù)據(jù)智能 12.3腦科學(xué)與類腦研究 12.4神經(jīng)形態(tài)芯片 12.5類腦智能路線圖 2023/10/20史忠植人工智能導(dǎo)論：類腦智能3概述

人類從磨擦起火把機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?瓦特發(fā)明蒸汽機(jī),又把熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，這是人類歷史上兩次最偉大的創(chuàng)舉,創(chuàng)造了人類前文明史。智能革命將開(kāi)創(chuàng)人類后文明史。與能量革命實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換與利用不同，智能革命實(shí)現(xiàn)智能的轉(zhuǎn)換與利用，即人把自己的智能賦予機(jī)器，智能機(jī)把人的智能轉(zhuǎn)換為機(jī)器智能，并放大人的智能；人又把機(jī)器智能轉(zhuǎn)換為人的智能，加以利用。如果說(shuō)蒸汽機(jī)魔術(shù)般地創(chuàng)造了工業(yè)社會(huì)，那么智能機(jī)也一定能奇跡般地創(chuàng)造出智能社會(huì)2023/10/20史忠植人工智能導(dǎo)論：類腦智能4概述通過(guò)腦科學(xué)、認(rèn)知科學(xué)與人工智能領(lǐng)域的交叉合作，加強(qiáng)我國(guó)在智能科學(xué)這一交叉領(lǐng)域中的基礎(chǔ)性、獨(dú)創(chuàng)性研究，解決認(rèn)知科學(xué)和信息科學(xué)發(fā)展中的重大基礎(chǔ)理論問(wèn)題，創(chuàng)新類腦智能前沿領(lǐng)域的研究。200620062013201220152023/10/20史忠植人工智能導(dǎo)論：類腦智能5概述我們要向人腦學(xué)習(xí)，研究人腦信息處理的方法和算法，發(fā)展類腦計(jì)算成為當(dāng)今迫切需求。目前，國(guó)際上非常重視對(duì)腦科學(xué)的研究。2013年1月28日，歐盟啟動(dòng)了旗艦“人類大腦計(jì)劃（HumanBrainProject）”,未來(lái)10年投入10億歐元的研發(fā)經(jīng)費(fèi)[Abbott2013]。目標(biāo)是用超級(jí)計(jì)算機(jī)多段多層完全模擬人腦，幫助理解人腦功能。2013年4月2日，美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬宣布一項(xiàng)重大計(jì)劃，將歷時(shí)10年左右、總額10億美元的研究計(jì)劃“運(yùn)用先進(jìn)創(chuàng)新型神經(jīng)技術(shù)的大腦研究(BrainResearchthroughAdvancingInnovativeNeurotechnologies：BRAIN)”，目標(biāo)是研究數(shù)十億神經(jīng)元的功能，探索人類感知、行為和意識(shí)，希望找出治療阿爾茨海默氏癥(又叫老年癡呆癥)等與大腦有關(guān)疾病的方法。2023/10/20史忠植人工智能導(dǎo)論：類腦智能6概述隨著歐、美等國(guó)相繼啟動(dòng)各種人腦計(jì)劃，中國(guó)也將全面啟動(dòng)自己的腦科學(xué)計(jì)劃?！爸袊?guó)腦計(jì)劃”已經(jīng)籌備了兩三年時(shí)間，初步形成開(kāi)展腦認(rèn)知原理的基礎(chǔ)、腦重大疾病、類腦人工智能的研究格局。類腦計(jì)算和人工智能研究是“中國(guó)腦計(jì)劃”的重要組成部分，將以類腦人工智能研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化為核心，從“濕”“軟”“硬”和“大規(guī)模服務(wù)”這四個(gè)方向展開(kāi)。“中國(guó)腦計(jì)劃”已獲國(guó)務(wù)院批示，并被列為“事關(guān)我國(guó)未來(lái)發(fā)展的重大科技項(xiàng)目”之一。類腦智能研究將借鑒腦的多尺度結(jié)構(gòu)及其認(rèn)知機(jī)制，提出并實(shí)現(xiàn)受腦信息處理機(jī)制啟發(fā)的智能框架、算法與系統(tǒng)。中國(guó)腦科學(xué)研究2023/10/207史忠植人工智能導(dǎo)論：類腦智能根據(jù)蒲慕明介紹，“中國(guó)腦計(jì)劃”的名稱為“腦科學(xué)與類腦科學(xué)研究”

主要有兩個(gè)研究方向：

以探索大腦秘密、攻克大腦疾病為導(dǎo)向的腦科學(xué)研究

以建立

發(fā)展人工智能技術(shù)為導(dǎo)向的類腦研究。北京腦科學(xué)研究2023/10/208史忠植人工智能導(dǎo)論：類腦智能2015年9月1日，北京市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)發(fā)布“腦科學(xué)研究”專項(xiàng)實(shí)施方案：

腦認(rèn)知與腦醫(yī)學(xué)

腦認(rèn)知與類腦計(jì)算腦認(rèn)知與腦醫(yī)學(xué)2023/10/209史忠植人工智能導(dǎo)論：類腦智能腦認(rèn)知與腦醫(yī)學(xué)2023/10/2010史忠植人工智能導(dǎo)論：類腦智能腦認(rèn)知與腦醫(yī)學(xué)2023/10/2011史忠植人工智能導(dǎo)論：類腦智能腦認(rèn)知與類腦計(jì)算2023/10/2012史忠植人工智能導(dǎo)論：類腦智能腦認(rèn)知與類腦計(jì)算2023/10/2013史忠植人工智能導(dǎo)論：類腦智能2023/10/20史忠植人工智能導(dǎo)論：類腦智能14內(nèi)容提要12.1概述 12.2大數(shù)據(jù)智能

12.3腦科學(xué)與類腦研究 12.4神經(jīng)形態(tài)芯片 12.5類腦智能路線圖 大數(shù)據(jù)智能2023/10/2015史忠植人工智能導(dǎo)論：類腦智能大數(shù)據(jù)本質(zhì)上是人類社會(huì)數(shù)據(jù)積累從量變到質(zhì)變的必然產(chǎn)物，是在信息高速公路基礎(chǔ)上的進(jìn)一步升級(jí)和深化，提升人工系統(tǒng)智能水平的重要途徑，對(duì)人類社會(huì)的發(fā)展具有極其重大的影響和意義。大數(shù)據(jù)首先是指數(shù)據(jù)體量(volumes)大，一般在10TB規(guī)模左右，但在實(shí)際應(yīng)用中，很多企業(yè)用戶把多個(gè)數(shù)據(jù)集放在一起，已經(jīng)形成了PB級(jí)的數(shù)據(jù)量。數(shù)據(jù)類別(variety)多，數(shù)據(jù)來(lái)自多種數(shù)據(jù)源，數(shù)據(jù)種類和格式日漸豐富，包括半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理速度（Velocity）快，在數(shù)據(jù)量非常龐大的情況下，也能夠做到數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理。數(shù)據(jù)真實(shí)性（Veracity）高，企業(yè)越發(fā)需要有效的信息之力以確保其真實(shí)性及安全性。大數(shù)據(jù)時(shí)代2023/10/2016史忠植人工智能導(dǎo)論：類腦智能2023/10/2017史忠植人工智能導(dǎo)論：類腦智能大數(shù)據(jù)本質(zhì)大數(shù)據(jù)價(jià)值182023/10/20史忠植人工智能導(dǎo)論：類腦智能大數(shù)據(jù)的挑戰(zhàn)192023/10/20史忠植人工智能導(dǎo)論：類腦智能大數(shù)據(jù)智能202023/10/20史忠植人工智能導(dǎo)論：類腦智能21智能來(lái)源于大數(shù)據(jù)挖掘在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，收集海量數(shù)據(jù)相當(dāng)容易云計(jì)算能夠處理更高數(shù)量級(jí)的數(shù)據(jù)云計(jì)算幫助解決之前不可行的或不可能的問(wèn)題大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)大數(shù)據(jù)分析智能2023/10/20史忠植人工智能導(dǎo)論：類腦智能2023/10/20史忠植人工智能導(dǎo)論：類腦智能22大數(shù)據(jù)挖掘云引擎2023/10/20史忠植人工智能導(dǎo)論：類腦智能23內(nèi)容提要12.1概述 12.2大數(shù)據(jù)智能 12.3腦科學(xué)與類腦研究

12.4神經(jīng)形態(tài)芯片 12.5類腦智能路線圖 2023/10/20史忠植人工智能導(dǎo)論：類腦智能24藍(lán)腦計(jì)劃2005年6月19日?qǐng)?bào)道，瑞士洛桑EPFL的腦心智研究所的HenryMarkram和IBM公司聯(lián)合開(kāi)展藍(lán)腦計(jì)劃研究。《ACM通訊》2009年2月份報(bào)道，IBM從DARPA得到490萬(wàn)美元的資助，研制類腦計(jì)算機(jī)。與IBMAlmaden研究中心和IBMT.J.Wason研究中心一起,斯坦福大學(xué)，威斯康辛-麥迪遜大學(xué)，康奈爾大學(xué)，哥倫比亞大學(xué)醫(yī)學(xué)中心和加利福尼亞Merced大學(xué)都參加該項(xiàng)計(jì)劃。去年Modha領(lǐng)導(dǎo)的IBM團(tuán)隊(duì)使用藍(lán)色基因巨型計(jì)算機(jī)，模擬具有5500萬(wàn)神經(jīng)元和5000億個(gè)突觸的老鼠大腦。歐盟人腦計(jì)劃2023/10/2025史忠植人工智能導(dǎo)論：類腦智能HenryMarkram2013年1月28日，歐盟委員會(huì)宣布人腦計(jì)劃（HBP）將在今后10年中獲得10億歐元的科研資助。人腦計(jì)劃項(xiàng)目希望通過(guò)打造一個(gè)綜合的基于信息通信技術(shù)的研究平臺(tái)來(lái)研發(fā)出最詳細(xì)的人腦模型。在瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的馬克拉姆(MarkramH)的協(xié)調(diào)下，來(lái)自23個(gè)國(guó)家（其中16個(gè)是歐盟國(guó)家）的大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)和工業(yè)界的87個(gè)組織將通力合作，用計(jì)算機(jī)模擬的方法研究人類大腦是如何工作的。2023/10/2026史忠植人工智能導(dǎo)論：類腦智能歐盟人腦計(jì)劃2023/10/2027史忠植人工智能導(dǎo)論：類腦智能HenryMarkram藍(lán)腦模擬歐盟人腦計(jì)劃2023/10/2028史忠植人工智能導(dǎo)論：類腦智能人腦計(jì)劃的路線圖歐盟人腦計(jì)劃美國(guó)腦計(jì)劃2023/10/2029史忠植人工智能導(dǎo)論：類腦智能

2013年4月2日，美國(guó)白宮正式宣布“通過(guò)推動(dòng)創(chuàng)新性神經(jīng)技術(shù)進(jìn)行腦研究(BrainResearchthroughAdvancingInnovativeNeurotechnologies,BRAIN）”的計(jì)劃,簡(jiǎn)稱“腦計(jì)劃”。該計(jì)劃被認(rèn)為可與人類基因組計(jì)劃相媲美，以探索人類大腦工作機(jī)制，繪制腦活動(dòng)全圖，針對(duì)無(wú)法治愈的大腦疾病開(kāi)發(fā)新療法。2023/10/2030史忠植人工智能導(dǎo)論：類腦智能2013年9月16日，美國(guó)國(guó)家衛(wèi)生研究院9個(gè)資助領(lǐng)域，包括：統(tǒng)計(jì)大腦細(xì)胞類型；建立大腦結(jié)構(gòu)圖；開(kāi)發(fā)大規(guī)模神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)記錄技術(shù)；開(kāi)發(fā)操作神經(jīng)回路的工具；了解神經(jīng)細(xì)胞與個(gè)體行為之間的聯(lián)系；把神經(jīng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)與理論、模型、統(tǒng)計(jì)學(xué)等整合；描述人類大腦成像技術(shù)的機(jī)制；為科學(xué)研究建立收集人類數(shù)據(jù)的機(jī)制；知識(shí)傳播與培訓(xùn)。美國(guó)腦計(jì)劃2023/10/2031史忠植人工智能導(dǎo)論：類腦智能波士頓大學(xué)認(rèn)知和神經(jīng)系統(tǒng)學(xué)院設(shè)計(jì)了一種軟件稱為MoNETA（modularneuralexploringtravelingagent:模塊化的神經(jīng)探索搜索主體）[Versaceetal.2010]，它是一個(gè)芯片上的大腦。MoNETA將運(yùn)行在美國(guó)加利福尼亞惠普實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的類腦（braininspired）微處理器上，其工作原理正是那些把我們哺乳動(dòng)物與無(wú)智商的高速機(jī)器區(qū)別開(kāi)來(lái)的最基本原則。MoNETAMoNETA2023/10/2032史忠植人工智能導(dǎo)論：類腦智能

MoNETA2023/10/2033史忠植人工智能導(dǎo)論：類腦智能

MoNETA2023/10/2034史忠植人工智能導(dǎo)論：類腦智能

MoNETA2023/10/2035史忠植人工智能導(dǎo)論：類腦智能

腦模擬系統(tǒng)Spaun2023/10/2036史忠植人工智能導(dǎo)論：類腦智能

加拿大滑鐵盧大學(xué)克里斯?伊萊亞史密斯領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)研制的人工腦語(yǔ)義指向結(jié)構(gòu)統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)Spaun。Spaun由250萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元構(gòu)成，模擬一系列顱內(nèi)子系統(tǒng)，包括前額大腦皮層、基底核和丘腦等。Spaun可以執(zhí)行從臨摹繪畫到計(jì)數(shù)、回答問(wèn)題以及流暢推理等八類不同的任務(wù)。2023/10/2037史忠植人工智能導(dǎo)論：類腦智能腦模擬系統(tǒng)Spaun2023/10/20史忠植人工智能導(dǎo)論：類腦智能38內(nèi)容提要12.1概述 12.2大數(shù)據(jù)智能 12.3腦科學(xué)與類腦研究 12.4神經(jīng)形態(tài)芯片

12.5類腦智能路線圖 史忠植人工智能導(dǎo)論：類腦智能神經(jīng)形態(tài)芯片計(jì)算機(jī)的“馮·諾依曼架構(gòu)”與“人腦架構(gòu)”的本質(zhì)結(jié)構(gòu)不同，人腦的信息存儲(chǔ)和處理，通過(guò)突觸這一基本單元來(lái)實(shí)現(xiàn)，因而沒(méi)有明顯的界限。正是人腦中的千萬(wàn)億個(gè)突觸的可塑性——各種因素和各種條件經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間作用后引起的神經(jīng)變化（可變性、可修飾性等），使得人腦的記憶和學(xué)習(xí)功能得以實(shí)現(xiàn)。2023/10/2039史忠植人工智能導(dǎo)論：類腦智能神經(jīng)形態(tài)芯片模仿人類大腦的理解、行動(dòng)和認(rèn)知能力，成為重要的仿生研究目標(biāo)，近期該領(lǐng)域的最新成果就是推出了神經(jīng)形態(tài)芯片。《麻省理工科技評(píng)論》（MITTechnologyReview）2014年4月23日刊出了“2014十大突破性科學(xué)技術(shù)”的文章，高通（Qualcomm）公司的神經(jīng)形態(tài)芯片（NeuromorphicChips）名列其中。2023/10/2040史忠植人工智能導(dǎo)論：類腦智能神經(jīng)形態(tài)芯片1990年，加州理工學(xué)院名譽(yù)教授米德（MeadC）給出了神經(jīng)形態(tài)芯片的定義——“模擬芯片不同于只有二進(jìn)制結(jié)果（開(kāi)/關(guān)）的數(shù)字芯片，可以像現(xiàn)實(shí)世界一樣得出各種不同的結(jié)果，可以模擬人腦神經(jīng)元和突觸的電子活動(dòng)?！?023/10/2041史忠植人工智能導(dǎo)論：類腦智能高通神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器Zeroth高通（Qualcomm）公司的“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器”與一般的處理器工作原理不同。從本質(zhì)上講，它仍然是一個(gè)由硅晶體材料構(gòu)成的典型計(jì)算機(jī)芯片，但是它能夠完成“定性”功能，而非“定量”功能。高通開(kāi)發(fā)的軟件工具可以模仿大腦活動(dòng)，處理器上的“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”按照人類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸信息的方式而設(shè)計(jì)，它可以允許開(kāi)發(fā)者編寫基于“生物激勵(lì)”程序。高通設(shè)想其“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器”可以完成“歸類”和“預(yù)測(cè)”等認(rèn)知任務(wù)。2023/10/2042史忠植人工智能導(dǎo)論：類腦智能IBM類腦系統(tǒng)TrueNorth2023/10/2043史忠植人工智能導(dǎo)論：類腦智能神經(jīng)形態(tài)芯片2023/10/2044IBM使用軟件生態(tài)系統(tǒng)將眾所周知的算法，例如，卷積網(wǎng)絡(luò)，液態(tài)機(jī)器、受限玻爾茲曼機(jī)、隱馬爾可夫模型、支持向量機(jī)、光學(xué)流量、多模態(tài)分類通過(guò)離線學(xué)習(xí)加到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中。現(xiàn)在這些算法在TrueNorth中運(yùn)行無(wú)需改變。為了測(cè)試在現(xiàn)實(shí)世界應(yīng)用問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了固定相機(jī)配置的多目標(biāo)檢測(cè)和分類應(yīng)用。該任務(wù)有兩個(gè)挑戰(zhàn)：（1）在稀疏圖像下準(zhǔn)確檢測(cè)人群、自行車、汽車、卡車和公交車（2）正確辨別物體。史忠植人工智能導(dǎo)論：類腦智能歐盟神經(jīng)形態(tài)芯片2014年10月18日在IFIP智能信息處理國(guó)際會(huì)議上，人腦研究項(xiàng)目協(xié)調(diào)人之一，德國(guó)海德堡大學(xué)麥耶（MeierK）教授介紹了德國(guó)科學(xué)家取得的研究進(jìn)展。麥耶宣布，神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)將出現(xiàn)在硅芯片上或硅圓片上。這不僅是一種芯片，而是一個(gè)完整的硅圓片，在上面目前集成了20萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元和500萬(wàn)個(gè)突觸。這個(gè)硅圓片的大小也就是像一個(gè)略大些的盤子。這些硅圓片就是未來(lái)十年歐盟人腦研究項(xiàng)目要開(kāi)發(fā)的類似人腦的新型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基石。2023/10/2045史忠植人工智能導(dǎo)論：類腦智能神經(jīng)形態(tài)芯片2023/10/2046史忠植人工智能導(dǎo)論：類腦智能神經(jīng)形態(tài)芯片2023/10/2047史忠植人工智能導(dǎo)論：類腦智能英國(guó)神經(jīng)形態(tài)芯片SpiNNaker2023/10/2048美國(guó)高通公司ZerothNPU2023/10/20史忠植人工智能導(dǎo)論：類腦智能49寒武紀(jì)系列神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器2023/10/20史忠植人工智能導(dǎo)論：類腦智能50

陳云霽等從2008年開(kāi)始走上了體系結(jié)構(gòu)和人工智能交叉研究的道路，探索神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)硬件。2012年陳天石等人提出的國(guó)際上首個(gè)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)硬件的基準(zhǔn)測(cè)試集benchNN。推出了一系列寒武紀(jì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專用處理器。當(dāng)前寒武紀(jì)系列已包含三種處理器結(jié)構(gòu)：DianNao（面向多種人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的原型處理器結(jié)構(gòu)）、DaDianNao（面向大規(guī)模人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）和PuDianNao（面向多種機(jī)器學(xué)習(xí)算法）寒武紀(jì)系列神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器2023/10/20史忠植人工智能導(dǎo)論：類腦智能512023/10/20史忠植人工智能導(dǎo)論：類腦智能52內(nèi)容提要12.1概述