中國(guó)網(wǎng)/中國(guó)發(fā)展門戶網(wǎng)訊 20世紀(jì)90年代末，隨著互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，人類社會(huì)步入智能時(shí)代，其標(biāo)志是計(jì)算機(jī)科學(xué)和信息技術(shù)迅速發(fā)展、互聯(lián)網(wǎng)普及、大數(shù)據(jù)興起、人工智能（AI）技術(shù)進(jìn)步。智能時(shí)代是以智能科技為核心技術(shù)、智能計(jì)算力為代表性生產(chǎn)力的時(shí)代。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)算力的增加，AI技術(shù)得到了快速發(fā)展和應(yīng)用，人們推測(cè)當(dāng)計(jì)算機(jī)的智能算力超過(guò)人腦的算力時(shí)，可能引發(fā)智能科技的變革。理解人腦如何能夠低能耗地進(jìn)行大規(guī)模智能計(jì)算的原理是開發(fā)下一代智能算力的源泉。腦科學(xué)（brain science）是研究人、動(dòng)物和機(jī)器的認(rèn)知與智能的本質(zhì)和規(guī)律的科學(xué)。人類大腦是最為復(fù)雜的信息和智能系統(tǒng)，對(duì)腦感知、認(rèn)知功能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的解析會(huì)啟迪類腦智能理論和類腦智能技術(shù)。腦科學(xué)研究將如何貢獻(xiàn)于智能時(shí)代的社會(huì)發(fā)展？在智能時(shí)代，腦科學(xué)研究正凸顯它的多學(xué)科交叉研究的特征，以及學(xué)術(shù)研究與工程技術(shù)并舉的特征，腦科學(xué)由此新納入了腦機(jī)接口、類腦智能計(jì)算等研究領(lǐng)域。解析腦認(rèn)知功能網(wǎng)絡(luò)是發(fā)展類腦智能的基礎(chǔ)。2023年，研究者繪制了小鼠大腦的完整細(xì)胞圖譜，以及較為全面的人腦和非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物大腦圖譜，腦機(jī)接口進(jìn)入人體臨床試驗(yàn)。類腦智能研究與開發(fā)是腦科學(xué)新的前沿領(lǐng)域。新近出現(xiàn)的類腦處理器單元使構(gòu)建大規(guī)模類腦智能計(jì)算系統(tǒng)成為可能，未來(lái)類腦超級(jí)算力極可能超過(guò)人類大腦算力，促進(jìn)智能科技變革和影響人類社會(huì)發(fā)展。

智能時(shí)代腦科學(xué)的新領(lǐng)域——類腦智能

智能時(shí)代的科技內(nèi)涵

智能時(shí)代的內(nèi)涵是通過(guò)機(jī)器智能的發(fā)展和應(yīng)用，推動(dòng)一場(chǎng)以大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的技術(shù)革命，智能計(jì)算系統(tǒng)能夠模擬和擴(kuò)展人類的智能，具備感知、理解、學(xué)習(xí)和決策等能力。目前，計(jì)算機(jī)機(jī)器智能在語(yǔ)音識(shí)別、機(jī)器翻譯、文本摘要或創(chuàng)作及自動(dòng)回答問(wèn)題等領(lǐng)域逐漸超越人類智能，能夠處理原本只有人類才能處理的復(fù)雜問(wèn)題。人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)之間的緊密協(xié)作和優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，人機(jī)交互不僅僅依賴于計(jì)算機(jī)知識(shí)和數(shù)學(xué)算法，還融合了哲學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、心理學(xué)、語(yǔ)言學(xué)、社會(huì)學(xué)等學(xué)科，實(shí)現(xiàn)全面和綜合性智能化應(yīng)用，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析和AI等技術(shù)的融合，設(shè)備、系統(tǒng)和環(huán)境更加智能互聯(lián)和協(xié)同。智能技術(shù)幫助人類創(chuàng)新和創(chuàng)造，模擬、延伸和擴(kuò)展人類智能，拓展人類認(rèn)知的疆界，深刻地改變?nèi)祟惿鐣?huì)結(jié)構(gòu)、生活方式和社交模式。

智能時(shí)代的核心科技是智能科技。智能時(shí)代生產(chǎn)力的特征是智能算力，超級(jí)智能計(jì)算系統(tǒng)（super intelligent computer）、智能芯片（intelligent chip）等智能計(jì)算設(shè)施和器件是制造智能算力的關(guān)鍵技術(shù)。腦科學(xué)及神經(jīng)科學(xué)（neuroscience）、計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)、普適智能計(jì)算系統(tǒng)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、智能物聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈等智能技術(shù)，推動(dòng)著新的科技革命與產(chǎn)業(yè)變革。智能化設(shè)備和系統(tǒng)的大規(guī)模、綜合性運(yùn)用，構(gòu)建大型綜合性智能互聯(lián)和智能化管理系統(tǒng)，形成智能經(jīng)濟(jì)和智能社會(huì)，使人類的生產(chǎn)和生活方式發(fā)生根本性的改變，推動(dòng)人類社會(huì)的高效和可持續(xù)發(fā)展。

類腦智能科技的內(nèi)涵

腦科學(xué)已經(jīng)成為世界科技戰(zhàn)略制高點(diǎn)，人類開始描繪“智力藍(lán)圖”（intelligence blueprint），其目的是理解認(rèn)知等大腦高級(jí)功能的物質(zhì)及結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，在防治認(rèn)知障礙性疾病的同時(shí)，建立一套腦科學(xué)的智能理論和類腦智能科技。

狹義的類腦智能（brain-inspired intelligence）是借鑒生物腦的感知認(rèn)知行為機(jī)制和信息傳遞機(jī)制，構(gòu)建相關(guān)類腦智能算法、模型和系統(tǒng)，并通過(guò)軟硬件協(xié)同實(shí)現(xiàn)的機(jī)器智能。狹義的類腦智能與傳統(tǒng)的AI有較大的區(qū)別，后者是一門結(jié)合了數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、心理學(xué)等多學(xué)科理論發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)。類腦智能計(jì)算的計(jì)算速度快、能耗少、邏輯分析和推理能力更強(qiáng)，類腦智能計(jì)算機(jī)體積小。類腦智能有望對(duì)計(jì)算系統(tǒng)架構(gòu)、智能芯片、智能計(jì)算機(jī)、智能機(jī)器人進(jìn)行顛覆性創(chuàng)新，在智能時(shí)代有著廣泛的應(yīng)用前景。

廣義的類腦智能包括類腦血管系統(tǒng)等生物腦的非神經(jīng)元及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。大腦是能量消耗和熱量產(chǎn)生最顯著的器官，大腦消耗人體20%—25%的能量，安靜時(shí)大腦產(chǎn)熱為人體產(chǎn)熱量的16%，大腦思考時(shí)消耗人體30%—50%的能量，產(chǎn)熱也增加。大腦血管豐富、血流量大，思考時(shí)腦血流加快、散熱增加，人體皮膚血液循環(huán)是主要散熱途徑。類腦血管散熱系統(tǒng)有助于設(shè)計(jì)更加節(jié)能、更小體積、更為安靜、更快速度和更加智慧的類腦智能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。廣義的類腦智能還包括正在興起的類腦組織工程（brain-like tissue engineering），其應(yīng)用多能干細(xì)胞誘導(dǎo)分化的方法，獲取具有大腦細(xì)胞類型及結(jié)構(gòu)的類腦器官，模擬和重現(xiàn)大腦的結(jié)構(gòu)和功能及疾病發(fā)生過(guò)程，并探索類腦器官的潛在醫(yī)學(xué)應(yīng)用，以期恢復(fù)、維持或改善損傷大腦的功能。

因此，類腦智能的科技目標(biāo)是分別在硅基和碳基上構(gòu)造類似生物腦的結(jié)構(gòu)和功能/智能，并在智能芯片、計(jì)算機(jī)、機(jī)器人、腦醫(yī)學(xué)等方面加以應(yīng)用。類腦智能研究領(lǐng)域已成為腦科學(xué)的一部分，使傳統(tǒng)的腦科學(xué)研究成為從發(fā)現(xiàn)步入創(chuàng)造的一門學(xué)科，其科研成果也呈現(xiàn)多種形式和類型。類腦智能也寫入了《神經(jīng)科學(xué)》教科書。中國(guó)神經(jīng)科學(xué)學(xué)會(huì)成立了腦機(jī)接口與交互分會(huì)和類腦智能分會(huì)，發(fā)表了《類腦智能產(chǎn)業(yè)與技術(shù)發(fā)展路線圖》。2022年Nature發(fā)文，認(rèn)為類腦計(jì)算急需一幅宏大藍(lán)圖。

解析腦認(rèn)知功能網(wǎng)絡(luò)

解析腦認(rèn)知功能網(wǎng)絡(luò)是最終闡明智力起源的必由之路，同時(shí)可揭示人腦的工作原理，提升和擴(kuò)展人的智力和創(chuàng)造性，啟發(fā)類腦智能理論和類腦智能技術(shù)。人腦認(rèn)知神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的功能依賴于860億個(gè)神經(jīng)元互相聯(lián)結(jié)的物理模式，大量神經(jīng)元通過(guò)復(fù)雜的聯(lián)結(jié)以模塊化的多層次結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)感知和認(rèn)知功能。神經(jīng)元在微納米尺度上通過(guò)突觸連接的構(gòu)架與信號(hào)傳遞，在百微米尺度表現(xiàn)為大腦皮質(zhì)功能柱等局域神經(jīng)環(huán)路與信息編碼，而在宏觀尺度上實(shí)現(xiàn)不同腦區(qū)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)與認(rèn)知功能。值得注意的是長(zhǎng)期以來(lái)缺乏對(duì)人腦左右半球的推理、演繹、邏輯、數(shù)理、情感、語(yǔ)言、社會(huì)認(rèn)知、藝術(shù)、創(chuàng)造等高級(jí)功能的深入解析，以及其深層次的信息處理機(jī)制。

對(duì)腦感知認(rèn)知神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的研究主要通過(guò)對(duì)神經(jīng)元類型和神經(jīng)結(jié)構(gòu)連接進(jìn)行系統(tǒng)性的普查，繪制多尺度（從突觸到腦區(qū)到整個(gè)大腦）、多分辨率的腦圖譜（brain atlas）。對(duì)人腦感知認(rèn)知神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能及機(jī)理的研究主要通過(guò)腦形態(tài)和分子成像、腦機(jī)接口等技術(shù)檢測(cè)神經(jīng)元及神經(jīng)環(huán)路活動(dòng)，記錄大腦腦區(qū)一定時(shí)期內(nèi)較為完整的神經(jīng)元?jiǎng)討B(tài)活動(dòng)，各類神經(jīng)遞質(zhì)的存儲(chǔ)、釋放、調(diào)制等活動(dòng)過(guò)程，解析腦功能的編碼與解碼機(jī)制。腦機(jī)接口正在發(fā)展生物相容性好的柔性腦機(jī)接口系統(tǒng)，以及高集成度和高分辨率的腦電、腦磁信號(hào)采集和智能化分析技術(shù)平臺(tái)。通過(guò)對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能聯(lián)結(jié)規(guī)律進(jìn)行全面解析將最終繪制成腦功能聯(lián)結(jié)圖譜（brain connectivity map）。

2023年，在美國(guó)“腦計(jì)劃”和中國(guó)“腦計(jì)劃”分別支持下，小鼠大腦的完整細(xì)胞圖譜，以及迄今最全面的人腦和非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物大腦的遺傳、細(xì)胞和結(jié)構(gòu)組成圖譜得以繪制。中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心及合作者開發(fā)了高精度大視場(chǎng)時(shí)空組學(xué)測(cè)序技術(shù)，繪制了獼猴皮層的細(xì)胞類型、分子特征及其空間分布圖譜。北京大學(xué)開發(fā)了一系列神經(jīng)肽熒光探針，實(shí)現(xiàn)了對(duì)特定神經(jīng)肽生物活性的實(shí)時(shí)、在體、高效和特異性的檢測(cè)，為研究神經(jīng)肽在生理和病理狀態(tài)下的釋放過(guò)程、調(diào)控和功能提供了重要工具。Musall等發(fā)現(xiàn)了大腦皮層錐體細(xì)胞類型在決策過(guò)程中驅(qū)動(dòng)不同功能的皮質(zhì)活動(dòng)模式，揭示了神經(jīng)元類型特異性的皮層動(dòng)力學(xué)塑造了感知決策。Stine等報(bào)道了上丘在終止積累證據(jù)、進(jìn)行選擇決策中起著重要作用。Gordon等在大腦運(yùn)動(dòng)皮層發(fā)現(xiàn)了“軀體感覺-認(rèn)知活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)”。廣東省智能科學(xué)與技術(shù)研究院（以下簡(jiǎn)稱“廣東省智能院”）揭示了一條新的且不通過(guò)丘腦的脊髓-皮層直接通路（圖１），并闡明了此通路在痛覺調(diào)控中起重要作用，突破了軀體感覺信息必須經(jīng)由丘腦傳遞至大腦皮層的傳統(tǒng)觀點(diǎn)，建立了皮層神經(jīng)元直接接受脊髓投射神經(jīng)元調(diào)控的新概念。

近期腦機(jī)接口技術(shù)取得了重要的進(jìn)展。美國(guó)加州大學(xué)舊金山分校通過(guò)語(yǔ)言腦機(jī)接口使一位18年前因腦干中風(fēng)造成的失語(yǔ)癥患者重獲語(yǔ)言溝通能力，實(shí)時(shí)文本合成速率在78個(gè)詞/分鐘，錯(cuò)誤率25%。中國(guó)科學(xué)院微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院和上海腦虎科技有限公司以蠶絲蛋白材料、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）等技術(shù)研制出的高通量、高密度、超柔性的記錄電極，針對(duì)柔性腦機(jī)接口植入過(guò)程中的創(chuàng)傷問(wèn)題，開發(fā)了一種類蚊口器仿生柔性神經(jīng)探針（圖2），能夠穿透硬腦膜實(shí)現(xiàn)多腦區(qū)微創(chuàng)植入，可感知植入過(guò)程中顱內(nèi)血管的存在并提供損傷預(yù)警，并可實(shí)現(xiàn)大腦神經(jīng)信號(hào)的術(shù)后即時(shí)采集和長(zhǎng)期穩(wěn)定跟蹤。他們開展了單神經(jīng)元記錄、運(yùn)動(dòng)功能重建和漢語(yǔ)合成相關(guān)的柔性腦機(jī)接口人體臨床試驗(yàn)34例，在國(guó)際上率先通過(guò)柔性腦機(jī)接口實(shí)現(xiàn)了癲癇患者實(shí)時(shí)多通道單神經(jīng)元放電脈沖信號(hào)記錄，實(shí)現(xiàn)了患者實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)解碼通過(guò)意念完成打乒乓球的電子游戲（延遲小于50毫秒，準(zhǔn)確率大于90%），實(shí)現(xiàn)了臨床漢語(yǔ)語(yǔ)音語(yǔ)調(diào)解碼與合成（在無(wú)語(yǔ)言模型輔助下語(yǔ)音合成成功率高于90%）。

解析認(rèn)知功能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，將為基于神經(jīng)環(huán)路的干預(yù)措施、中樞神經(jīng)系統(tǒng)的功能調(diào)節(jié)、神經(jīng)精神疾病的治療提供靈感與思路。應(yīng)用遺傳學(xué)、分子生物學(xué)、物理化學(xué)技術(shù)、腦機(jī)接口與交互技術(shù)研究感知與認(rèn)知神經(jīng)元的發(fā)育、病變和衰老過(guò)程，以及認(rèn)知障礙性疾病病因和治療，將引領(lǐng)新的診斷和治療技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，提高人類的生活質(zhì)量。2023年，浙江大學(xué)發(fā)現(xiàn)新型抗抑郁藥物氯胺酮與其靶點(diǎn)N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）受體相互作用中獨(dú)特的生物物理特性可能是其發(fā)揮長(zhǎng)效作用的關(guān)鍵因素，為改造氯胺酮和開發(fā)更安全有效的新型抗抑郁藥物提供了方向。中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院提出了一種用于治療帕金森病的新型神經(jīng)調(diào)控技術(shù)，在不影響大腦其他神經(jīng)環(huán)路的情況下對(duì)帕金森病累及的關(guān)鍵神經(jīng)環(huán)路進(jìn)行精準(zhǔn)靶向干預(yù)，為臨床治療提供了新策略。廈門大學(xué)發(fā)現(xiàn)了游離的主要組織相容性復(fù)合體I組成亞基β2-微球蛋白是介導(dǎo)淀粉樣蛋白毒性的關(guān)鍵致病因子，修正和豐富了阿爾茨海默病（AD）淀粉樣蛋白學(xué)說(shuō)。我國(guó)企業(yè)界也開始從事腦疾病基礎(chǔ)研究和藥靶研究，上海魁特迪生物科技有限公司在2023年報(bào)道了人類DNA損傷誘導(dǎo)性轉(zhuǎn)錄物4樣轉(zhuǎn)錄物（DDIT4L）內(nèi)含子保留（DIR）與AD樣認(rèn)知障礙和淀粉樣斑塊形成有關(guān)。未來(lái)，可以期待我國(guó)更多的企業(yè)研發(fā)機(jī)構(gòu)會(huì)投入腦疾病機(jī)理研究和診療技術(shù)開發(fā)。

開發(fā)類腦智能

人類大腦是最為復(fù)雜的信息和智能系統(tǒng)，對(duì)腦認(rèn)知功能網(wǎng)絡(luò)的理解會(huì)啟迪類腦智能理論和類腦智能技術(shù)。類腦智能研究要發(fā)展類腦智能算法、感知認(rèn)知模型和技術(shù)，目前主要體現(xiàn)在借助人腦信息處理機(jī)制，用脈沖信號(hào)表示時(shí)序信息的脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（SNN）計(jì)算，有效地處理大量的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，如圖像、聲音和文本等。類腦智能將從“腦結(jié)構(gòu)啟發(fā)”向“兼顧腦結(jié)構(gòu)啟發(fā)和腦功能啟發(fā)”邁進(jìn)，“感知”和“認(rèn)知”智能協(xié)同發(fā)展，由“專用智能”向“通用智能”轉(zhuǎn)變。目前的研究方向有：借鑒人腦存儲(chǔ)和計(jì)算合二為一的特點(diǎn)，研發(fā)存算一體計(jì)算框架和算法模型，突破“存算墻”的限制；實(shí)現(xiàn)類腦器件的三維高度集成，研制出規(guī)模化、可擴(kuò)展的通用存算一體芯片和包含多種類腦器件的融合類腦芯片；發(fā)展適用于類腦計(jì)算的編程語(yǔ)言、工具和編譯器；借鑒人腦自主學(xué)習(xí)、推理演繹、涌現(xiàn)等高級(jí)功能機(jī)制，逐步實(shí)現(xiàn)機(jī)器的感知智能、自主記憶、推理與抉擇、自然語(yǔ)言、多模態(tài)協(xié)同感知與社會(huì)認(rèn)知等功能。在智能傳感器、便攜式智能信息工具、低能耗高速度和高存儲(chǔ)的類腦智能芯片和計(jì)算機(jī)等智能系統(tǒng)支撐下，構(gòu)建類腦智能物聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)智能交通、智能醫(yī)療、無(wú)疆界全方位個(gè)性化服務(wù)、智能社會(huì)管理和決策體系等新社會(huì)形態(tài)和模式。

綠色類腦智能計(jì)算

國(guó)際上類腦智能算法及計(jì)算系統(tǒng)研究得到持續(xù)進(jìn)展。2023年，Kim等提出了一種將卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）和SNN相結(jié)合的互補(bǔ)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（C-DNN）處理器，通過(guò)異構(gòu)的SNN和CNN處理核，利用各自優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)高精度低功耗的推理和訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)了超高能效的類腦異構(gòu)融合計(jì)算。Frenkel等比較了模擬生物神經(jīng)處理系統(tǒng)的自下而上設(shè)計(jì)方法和為解決實(shí)際AI應(yīng)用問(wèn)題而設(shè)計(jì)的自上而下方法，并提出了實(shí)現(xiàn)類腦系統(tǒng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)所需的方法和框架。Rathi等探討了基于SNN的類腦計(jì)算，通過(guò)跨學(xué)科的方法，對(duì)設(shè)備、電路和算法進(jìn)行多層優(yōu)化，提供了一種端到端的實(shí)現(xiàn)方式，以實(shí)現(xiàn)高能效的類腦計(jì)算處理。美國(guó)IBM報(bào)道了一種大規(guī)模并行、高效能的神經(jīng)推理架構(gòu)——Northpole，具有存算一體、主動(dòng)存儲(chǔ)和空間計(jì)算的特點(diǎn)，以及協(xié)同優(yōu)化、高利用率的編程模型。

近年來(lái)，我國(guó)在類腦計(jì)算方面不僅在基礎(chǔ)理論上而且在產(chǎn)業(yè)技術(shù)上，都走在世界前列。2023年，清華大學(xué)報(bào)道了類腦多模態(tài)混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及通用位置識(shí)別系統(tǒng)，以及一種新型的基于憶阻器神經(jīng)形態(tài)芯片的邊緣學(xué)習(xí)技術(shù)。廣東省智能院發(fā)布了首個(gè)以BPU“天琴芯”和類腦晶圓芯片“天琴芯·海”為技術(shù)支撐的類腦智能計(jì)算系統(tǒng)（圖3）。BPU是更接近生物腦信息處理特性的智能處理器，采用類似神經(jīng)脈沖發(fā)放傳遞的通信機(jī)制，支持事件驅(qū)動(dòng)的大規(guī)模異步并行計(jì)算。相對(duì)于同樣擅長(zhǎng)并行計(jì)算的圖形處理器（GPU）、張量處理器（TPU）和和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器（NPU），BPU對(duì)于非結(jié)構(gòu)化、隨機(jī)排布、稀疏的數(shù)據(jù)運(yùn)算具有更高的處理效率。因此：在算力能效上，“天琴芯”通過(guò)借鑒人腦存算一體和脈沖傳導(dǎo)的運(yùn)作模式，突破馮·諾依曼瓶頸，消除“內(nèi)存墻”和“功耗墻”的制約，實(shí)現(xiàn)類腦計(jì)算“速度更快、功耗更低”的算力突破。在集成技術(shù)上，“天琴芯·海”突破了晶圓級(jí)芯片互聯(lián)、封裝、供電、散熱等多種關(guān)鍵技術(shù)，單顆晶圓芯片可支持2億神經(jīng)元擬態(tài)計(jì)算在節(jié)能減噪上，“天琴芯”系統(tǒng)使用無(wú)源散熱系統(tǒng)，借鑒人腦血管散熱模式，不需要電力支持可實(shí)現(xiàn)計(jì)算熱量的長(zhǎng)距離傳導(dǎo)，為數(shù)據(jù)中心減少40%的能耗。北京大學(xué)和廣東省智能院還推出了BrainPy腦動(dòng)力學(xué)仿真與類腦計(jì)算通用編程框架（圖4）。它是一個(gè)功能強(qiáng)大、靈活且可擴(kuò)展的通用編程框架，支持腦動(dòng)力學(xué)的模擬、訓(xùn)練、分析等多種應(yīng)用場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)高效的代碼執(zhí)行，為類腦智能計(jì)算領(lǐng)域提供了一個(gè)統(tǒng)一的編程框架。

類腦智能超級(jí)計(jì)算系統(tǒng)

類比于動(dòng)物進(jìn)化的規(guī)律，隨著算力的增加，智能會(huì)加速發(fā)展。在過(guò)去數(shù)十年，摩爾定律與并行計(jì)算使計(jì)算能力提升了百萬(wàn)倍，現(xiàn)在可能到了智能飛躍的拐點(diǎn)。2017年，美國(guó)微軟公司向OpenAI公司投資10億美元，雙方在Azure云計(jì)算服務(wù)平臺(tái)上構(gòu)建AI超級(jí)計(jì)算機(jī)，擬使用強(qiáng)大的GPU算力以實(shí)現(xiàn)算法上的創(chuàng)新，研發(fā)通用人工智能（AGI），2022年發(fā)布了著名的ChatGPT——AI技術(shù)驅(qū)動(dòng)的自然語(yǔ)言處理工具。2023年，AI芯片公司美國(guó)Cerebras Systems和總部位于阿聯(lián)酋的技術(shù)控股集團(tuán)G42宣布，將攜手打造一個(gè)由9臺(tái)互聯(lián)的超級(jí)計(jì)算機(jī)組成的網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)上的第一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)“Condor Galaxy 1”（CG-1）已經(jīng)上線，算力高達(dá)4 exaFLOPS。CG-1與已知的GPU集群不同，由64臺(tái)CS-2計(jì)算機(jī)組成，每臺(tái)CS-2由一個(gè)WSE-2晶圓芯片驅(qū)動(dòng)，是目前性能最強(qiáng)的AI超級(jí)計(jì)算機(jī)。然而，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)與AI超級(jí)計(jì)算機(jī)的信號(hào)-數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和高精度計(jì)算在能源和時(shí)間上產(chǎn)生高成本，復(fù)雜的深度學(xué)習(xí)模型耗費(fèi)驚人的高訓(xùn)練成本。高能耗在很大程度上是由于馮·諾依曼架構(gòu)的數(shù)字計(jì)算系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)和儲(chǔ)存數(shù)據(jù)是在不同的地方，處理器的大部分時(shí)間和精力都消耗在數(shù)據(jù)傳輸上。高能耗的現(xiàn)有超算系統(tǒng)不是可持續(xù)發(fā)展的AI應(yīng)用平臺(tái)。

人腦有860億個(gè)神經(jīng)元形成神經(jīng)環(huán)路和網(wǎng)絡(luò)，能耗約20瓦，而相同大小的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)字模擬的能耗約8兆瓦。類腦智能計(jì)算技術(shù)極有可能突破傳統(tǒng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)和現(xiàn)在的AI超級(jí)計(jì)算機(jī)所遇到的智能演化環(huán)境天花板和高能耗天花板。2024年，澳大利亞的國(guó)際神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)中心聯(lián)合英特爾公司和戴爾公司將制造一臺(tái)“深南”（DeepSouth）神經(jīng)形態(tài)超級(jí)計(jì)算機(jī)，預(yù)計(jì)在投入使用。“深南”采用高度并行化的架構(gòu)，每秒能進(jìn)行228萬(wàn)億次突觸操作，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件程序和硬件設(shè)備來(lái)全面模擬人腦突觸，從而對(duì)突觸處理大腦信息的方式進(jìn)行建模，研究大腦工作原理。Nature發(fā)布的“2024九大科技變革預(yù)測(cè)”中包括了歐洲第一臺(tái)超過(guò)10億次計(jì)算的超算Jupiter、美國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Aurora和Capitan，用于創(chuàng)建人類心臟和大腦數(shù)字孿生模型、地球氣候高分辨率模擬等。2024年，廣東省智能院基于創(chuàng)制的天琴芯系列BPU，將構(gòu)建類腦異構(gòu)融合智能計(jì)算機(jī)，類腦智能算力達(dá)到全人腦神經(jīng)元規(guī)模，將是智能算力高和能效頂尖的類腦計(jì)算科研設(shè)備。

結(jié)論與展望

腦科學(xué)是智能時(shí)代的科技前沿。在一系列研究技術(shù)促進(jìn)下，人類大腦功能聯(lián)結(jié)圖譜終將被成功繪制，腦機(jī)接口、類腦智能理論和類腦智能技術(shù)在未來(lái)數(shù)年內(nèi)將成為腦科學(xué)和腦醫(yī)學(xué)研究和拓展的重要方向。我們還可以期待類腦智能超級(jí)計(jì)算機(jī)的算力超過(guò)人類大腦算力，類腦智能算力作為智能時(shí)代的新生產(chǎn)力會(huì)給智能科技乃至人類社會(huì)帶來(lái)重大變革。

在這一具有時(shí)代特征的腦科技發(fā)展歷程中，我們需要更有效地強(qiáng)化跨學(xué)科合作。通過(guò)國(guó)家和地方設(shè)立的腦科學(xué)和類腦智能研究計(jì)劃，開展學(xué)科交叉研究，促進(jìn)學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)的科研人員和產(chǎn)業(yè)界合作研究；建立以任務(wù)為導(dǎo)向的類腦智能研究機(jī)構(gòu)，以及國(guó)際合作研究網(wǎng)絡(luò)，匯集相關(guān)學(xué)科及研究領(lǐng)域優(yōu)秀科技人員，整合相關(guān)的各類技術(shù)方法，進(jìn)行系統(tǒng)性設(shè)計(jì)和集成，讓集成電路、計(jì)算機(jī)科學(xué)家和工程師、數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、材料學(xué)家、分子細(xì)胞生物學(xué)家等與神經(jīng)科學(xué)家有共同的語(yǔ)言，在整個(gè)研究和開發(fā)過(guò)程中通力合作，將腦啟發(fā)的科學(xué)原理應(yīng)用于智能計(jì)算的軟件硬件設(shè)計(jì)和制造；建立跨機(jī)構(gòu)的類腦智能人才培訓(xùn)體系，設(shè)立相應(yīng)的碩士和博士培訓(xùn)計(jì)劃，與相關(guān)產(chǎn)業(yè)密切互動(dòng)合作培訓(xùn)高技能的技術(shù)人員。

在這一征途中我們面臨著系統(tǒng)性挑戰(zhàn)和發(fā)展機(jī)遇。目前，AI算法和應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)已經(jīng)持續(xù)了數(shù)十年，現(xiàn)在各AI賦能的行業(yè)依賴于傳統(tǒng)的大規(guī)模數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)分析和處理，現(xiàn)有的AI算力的高能耗與低效率將阻礙智能技術(shù)的廣泛應(yīng)用。類腦智能研究與開發(fā)可以提供下一代顛覆性的低碳產(chǎn)業(yè)技術(shù)和一系列新的智能產(chǎn)業(yè)，然而，類腦智能技術(shù)及產(chǎn)業(yè)提升和演變還需要長(zhǎng)期努力，建立其發(fā)展生態(tài)。為了實(shí)現(xiàn)類腦智能研究的快速發(fā)展和社會(huì)價(jià)值，我們需要建立學(xué)術(shù)研究界與產(chǎn)業(yè)界密切合作的有效機(jī)制，引入政府科研經(jīng)費(fèi)和商業(yè)資金，以支持腦及類腦智能科學(xué)研究，支持初創(chuàng)腦科技企業(yè)、新的衍生企業(yè)和轉(zhuǎn)型企業(yè)的發(fā)展。我國(guó)將會(huì)有更多的科研機(jī)構(gòu)、大學(xué)、科技企業(yè)參與腦科學(xué)及類腦智能研究，多學(xué)科交叉和產(chǎn)學(xué)研合作機(jī)制正促成我國(guó)在腦醫(yī)學(xué)、類腦智能研究和開發(fā)以及相關(guān)產(chǎn)業(yè)走向世界前列。

（作者：張旭，中國(guó)神經(jīng)科學(xué)學(xué)會(huì) 廣東省智能科學(xué)與技術(shù)研究院。《中國(guó)科學(xué)院院刊》供稿）