人工智能導論

Introduction

toArtificialIntelligence

第十二章史忠植

中國科學院計算技術研究所/2023/10/20史忠植人工智能導論：類腦智能1類腦智能Brain-LikeIntelligence2023/10/20史忠植人工智能導論：類腦智能2內容提要12.1概述 12.2大數據智能 12.3腦科學與類腦研究 12.4神經形態芯片 12.5類腦智能路線圖 2023/10/20史忠植人工智能導論：類腦智能3概述

人類從磨擦起火把機械能轉變為熱能,瓦特發明蒸汽機,又把熱能轉變為機械能，這是人類歷史上兩次最偉大的創舉,創造了人類前文明史。智能革命將開創人類后文明史。與能量革命實現能量的轉換與利用不同，智能革命實現智能的轉換與利用，即人把自己的智能賦予機器，智能機把人的智能轉換為機器智能，并放大人的智能；人又把機器智能轉換為人的智能，加以利用。如果說蒸汽機魔術般地創造了工業社會，那么智能機也一定能奇跡般地創造出智能社會2023/10/20史忠植人工智能導論：類腦智能4概述通過腦科學、認知科學與人工智能領域的交叉合作，加強我國在智能科學這一交叉領域中的基礎性、獨創性研究，解決認知科學和信息科學發展中的重大基礎理論問題，創新類腦智能前沿領域的研究。200620062013201220152023/10/20史忠植人工智能導論：類腦智能5概述我們要向人腦學習，研究人腦信息處理的方法和算法，發展類腦計算成為當今迫切需求。目前，國際上非常重視對腦科學的研究。2013年1月28日，歐盟啟動了旗艦“人類大腦計劃（HumanBrainProject）”,未來10年投入10億歐元的研發經費[Abbott2013]。目標是用超級計算機多段多層完全模擬人腦，幫助理解人腦功能。2013年4月2日，美國總統奧巴馬宣布一項重大計劃，將歷時10年左右、總額10億美元的研究計劃“運用先進創新型神經技術的大腦研究(BrainResearchthroughAdvancingInnovativeNeurotechnologies：BRAIN)”，目標是研究數十億神經元的功能，探索人類感知、行為和意識，希望找出治療阿爾茨海默氏癥(又叫老年癡呆癥)等與大腦有關疾病的方法。2023/10/20史忠植人工智能導論：類腦智能6概述隨著歐、美等國相繼啟動各種人腦計劃，中國也將全面啟動自己的腦科學計劃。“中國腦計劃”已經籌備了兩三年時間，初步形成開展腦認知原理的基礎、腦重大疾病、類腦人工智能的研究格局。類腦計算和人工智能研究是“中國腦計劃”的重要組成部分，將以類腦人工智能研發與產業化為核心，從“濕”“軟”“硬”和“大規模服務”這四個方向展開。“中國腦計劃”已獲國務院批示，并被列為“事關我國未來發展的重大科技項目”之一。類腦智能研究將借鑒腦的多尺度結構及其認知機制，提出并實現受腦信息處理機制啟發的智能框架、算法與系統。中國腦科學研究2023/10/207史忠植人工智能導論：類腦智能根據蒲慕明介紹，“中國腦計劃”的名稱為“腦科學與類腦科學研究”

主要有兩個研究方向：

以探索大腦秘密、攻克大腦疾病為導向的腦科學研究

以建立

發展人工智能技術為導向的類腦研究。北京腦科學研究2023/10/208史忠植人工智能導論：類腦智能2015年9月1日，北京市科學技術委員會發布“腦科學研究”專項實施方案：

腦認知與腦醫學

腦認知與類腦計算腦認知與腦醫學2023/10/209史忠植人工智能導論：類腦智能腦認知與腦醫學2023/10/2010史忠植人工智能導論：類腦智能腦認知與腦醫學2023/10/2011史忠植人工智能導論：類腦智能腦認知與類腦計算2023/10/2012史忠植人工智能導論：類腦智能腦認知與類腦計算2023/10/2013史忠植人工智能導論：類腦智能2023/10/20史忠植人工智能導論：類腦智能14內容提要12.1概述 12.2大數據智能

12.3腦科學與類腦研究 12.4神經形態芯片 12.5類腦智能路線圖 大數據智能2023/10/2015史忠植人工智能導論：類腦智能大數據本質上是人類社會數據積累從量變到質變的必然產物，是在信息高速公路基礎上的進一步升級和深化，提升人工系統智能水平的重要途徑，對人類社會的發展具有極其重大的影響和意義。大數據首先是指數據體量(volumes)大，一般在10TB規模左右，但在實際應用中，很多企業用戶把多個數據集放在一起，已經形成了PB級的數據量。數據類別(variety)多，數據來自多種數據源，數據種類和格式日漸豐富，包括半結構化和非結構化數據。數據處理速度（Velocity）快，在數據量非常龐大的情況下，也能夠做到數據的實時處理。數據真實性（Veracity）高，企業越發需要有效的信息之力以確保其真實性及安全性。大數據時代2023/10/2016史忠植人工智能導論：類腦智能2023/10/2017史忠植人工智能導論：類腦智能大數據本質大數據價值182023/10/20史忠植人工智能導論：類腦智能大數據的挑戰192023/10/20史忠植人工智能導論：類腦智能大數據智能202023/10/20史忠植人工智能導論：類腦智能21智能來源于大數據挖掘在互聯網時代，收集海量數據相當容易云計算能夠處理更高數量級的數據云計算幫助解決之前不可行的或不可能的問題大數據存儲大數據分析智能2023/10/20史忠植人工智能導論：類腦智能2023/10/20史忠植人工智能導論：類腦智能22大數據挖掘云引擎2023/10/20史忠植人工智能導論：類腦智能23內容提要12.1概述 12.2大數據智能 12.3腦科學與類腦研究

12.4神經形態芯片 12.5類腦智能路線圖 2023/10/20史忠植人工智能導論：類腦智能24藍腦計劃2005年6月19日報道，瑞士洛桑EPFL的腦心智研究所的HenryMarkram和IBM公司聯合開展藍腦計劃研究。《ACM通訊》2009年2月份報道，IBM從DARPA得到490萬美元的資助，研制類腦計算機。與IBMAlmaden研究中心和IBMT.J.Wason研究中心一起,斯坦福大學，威斯康辛-麥迪遜大學，康奈爾大學，哥倫比亞大學醫學中心和加利福尼亞Merced大學都參加該項計劃。去年Modha領導的IBM團隊使用藍色基因巨型計算機，模擬具有5500萬神經元和5000億個突觸的老鼠大腦。歐盟人腦計劃2023/10/2025史忠植人工智能導論：類腦智能HenryMarkram2013年1月28日，歐盟委員會宣布人腦計劃（HBP）將在今后10年中獲得10億歐元的科研資助。人腦計劃項目希望通過打造一個綜合的基于信息通信技術的研究平臺來研發出最詳細的人腦模型。在瑞士洛桑聯邦理工學院的馬克拉姆(MarkramH)的協調下，來自23個國家（其中16個是歐盟國家）的大學、研究機構和工業界的87個組織將通力合作，用計算機模擬的方法研究人類大腦是如何工作的。2023/10/2026史忠植人工智能導論：類腦智能歐盟人腦計劃2023/10/2027史忠植人工智能導論：類腦智能HenryMarkram藍腦模擬歐盟人腦計劃2023/10/2028史忠植人工智能導論：類腦智能人腦計劃的路線圖歐盟人腦計劃美國腦計劃2023/10/2029史忠植人工智能導論：類腦智能

2013年4月2日，美國白宮正式宣布“通過推動創新性神經技術進行腦研究(BrainResearchthroughAdvancingInnovativeNeurotechnologies,BRAIN）”的計劃,簡稱“腦計劃”。該計劃被認為可與人類基因組計劃相媲美，以探索人類大腦工作機制，繪制腦活動全圖，針對無法治愈的大腦疾病開發新療法。2023/10/2030史忠植人工智能導論：類腦智能2013年9月16日，美國國家衛生研究院9個資助領域，包括：統計大腦細胞類型；建立大腦結構圖；開發大規模神經網絡記錄技術；開發操作神經回路的工具；了解神經細胞與個體行為之間的聯系；把神經科學實驗與理論、模型、統計學等整合；描述人類大腦成像技術的機制；為科學研究建立收集人類數據的機制；知識傳播與培訓。美國腦計劃2023/10/2031史忠植人工智能導論：類腦智能波士頓大學認知和神經系統學院設計了一種軟件稱為MoNETA（modularneuralexploringtravelingagent:模塊化的神經探索搜索主體）[Versaceetal.2010]，它是一個芯片上的大腦。MoNETA將運行在美國加利福尼亞惠普實驗室研發的類腦（braininspired）微處理器上，其工作原理正是那些把我們哺乳動物與無智商的高速機器區別開來的最基本原則。MoNETAMoNETA2023/10/2032史忠植人工智能導論：類腦智能

MoNETA2023/10/2033史忠植人工智能導論：類腦智能

MoNETA2023/10/2034史忠植人工智能導論：類腦智能

MoNETA2023/10/2035史忠植人工智能導論：類腦智能

腦模擬系統Spaun2023/10/2036史忠植人工智能導論：類腦智能

加拿大滑鐵盧大學克里斯?伊萊亞史密斯領導的研究團隊研制的人工腦語義指向結構統一網絡Spaun。Spaun由250萬個神經元構成，模擬一系列顱內子系統，包括前額大腦皮層、基底核和丘腦等。Spaun可以執行從臨摹繪畫到計數、回答問題以及流暢推理等八類不同的任務。2023/10/2037史忠植人工智能導論：類腦智能腦模擬系統Spaun2023/10/20史忠植人工智能導論：類腦智能38內容提要12.1概述 12.2大數據智能 12.3腦科學與類腦研究 12.4神經形態芯片

12.5類腦智能路線圖 史忠植人工智能導論：類腦智能神經形態芯片計算機的“馮·諾依曼架構”與“人腦架構”的本質結構不同，人腦的信息存儲和處理，通過突觸這一基本單元來實現，因而沒有明顯的界限。正是人腦中的千萬億個突觸的可塑性——各種因素和各種條件經過一定的時間作用后引起的神經變化（可變性、可修飾性等），使得人腦的記憶和學習功能得以實現。2023/10/2039史忠植人工智能導論：類腦智能神經形態芯片模仿人類大腦的理解、行動和認知能力，成為重要的仿生研究目標，近期該領域的最新成果就是推出了神經形態芯片。《麻省理工科技評論》（MITTechnologyReview）2014年4月23日刊出了“2014十大突破性科學技術”的文章，高通（Qualcomm）公司的神經形態芯片（NeuromorphicChips）名列其中。2023/10/2040史忠植人工智能導論：類腦智能神經形態芯片1990年，加州理工學院名譽教授米德（MeadC）給出了神經形態芯片的定義——“模擬芯片不同于只有二進制結果（開/關）的數字芯片，可以像現實世界一樣得出各種不同的結果，可以模擬人腦神經元和突觸的電子活動。”2023/10/2041史忠植人工智能導論：類腦智能高通神經網絡處理器Zeroth高通（Qualcomm）公司的“神經網絡處理器”與一般的處理器工作原理不同。從本質上講，它仍然是一個由硅晶體材料構成的典型計算機芯片，但是它能夠完成“定性”功能，而非“定量”功能。高通開發的軟件工具可以模仿大腦活動，處理器上的“神經網絡”按照人類神經網絡傳輸信息的方式而設計，它可以允許開發者編寫基于“生物激勵”程序。高通設想其“神經網絡處理器”可以完成“歸類”和“預測”等認知任務。2023/10/2042史忠植人工智能導論：類腦智能IBM類腦系統TrueNorth2023/10/2043史忠植人工智能導論：類腦智能神經形態芯片2023/10/2044IBM使用軟件生態系統將眾所周知的算法，例如，卷積網絡，液態機器、受限玻爾茲曼機、隱馬爾可夫模型、支持向量機、光學流量、多模態分類通過離線學習加到系統結構中。現在這些算法在TrueNorth中運行無需改變。為了測試在現實世界應用問題，開發了固定相機配置的多目標檢測和分類應用。該任務有兩個挑戰：（1）在稀疏圖像下準確檢測人群、自行車、汽車、卡車和公交車（2）正確辨別物體。史忠植人工智能導論：類腦智能歐盟神經形態芯片2014年10月18日在IFIP智能信息處理國際會議上，人腦研究項目協調人之一，德國海德堡大學麥耶（MeierK）教授介紹了德國科學家取得的研究進展。麥耶宣布，神經形態系統將出現在硅芯片上或硅圓片上。這不僅是一種芯片，而是一個完整的硅圓片，在上面目前集成了20萬個神經元和500萬個突觸。這個硅圓片的大小也就是像一個略大些的盤子。這些硅圓片就是未來十年歐盟人腦研究項目要開發的類似人腦的新型計算機系統結構的基石。2023/10/2045史忠植人工智能導論：類腦智能神經形態芯片2023/10/2046史忠植人工智能導論：類腦智能神經形態芯片2023/10/2047史忠植人工智能導論：類腦智能英國神經形態芯片SpiNNaker2023/10/2048美國高通公司ZerothNPU2023/10/20史忠植人工智能導論：類腦智能49寒武紀系列神經網絡處理器2023/10/20史忠植人工智能導論：類腦智能50

陳云霽等從2008年開始走上了體系結構和人工智能交叉研究的道路，探索神經網絡硬件。2012年陳天石等人提出的國際上首個人工神經網絡硬件的基準測試集benchNN。推出了一系列寒武紀神經網絡專用處理器。當前寒武紀系列已包含三種處理器結構：DianNao（面向多種人工神經網絡的原型處理器結構）、DaDianNao（面向大規模人工神經網絡）和PuDianNao（面向多種機器學習算法）寒武紀系列神經網絡處理器2023/10/20史忠植人工智能導論：類腦智能512023/10/20史忠植人工智能導論：類腦智能52內容提要12.1概述