AI12人工智能-類腦智能

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(nèi)容提要12.1概述 12.2大數(shù)據(jù)智能 12.3腦科學與類腦研究 12.4神經(jīng)形態(tài)芯片 12.5類腦智能路線圖 2023/10/20史忠植人工智能導論：類腦智能3概述

人類從磨擦起火把機械能轉變?yōu)闊崮?瓦特發(fā)明蒸汽機,又把熱能轉變?yōu)闄C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。智能革命將開創(chuàng)人類后文明史。與能量革命實現(xiàn)能量的轉換與利用不同，智能革命實現(xiàn)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(chuàng)造了工業(yè)社會，那么智能機也一定能奇跡般地創(chuàng)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(chuàng)性研究，解決認知科學和信息科學發(fā)展中的重大基礎理論問題，創(chuàng)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(fā)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(fā)經(jīng)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(tǒng)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(chuàng)新型神經(jīng)技術的大腦研究(BrainResearchthroughAdvancingInnovativeNeurotechnologies：BRAIN)”，目標是研究數(shù)十億神經(jīng)元的功能，探索人類感知、行為和意識，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?！爸袊X計劃”已經(jīng)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(fā)與產(chǎn)業(yè)化為核心，從“濕”“軟”“硬”和“大規(guī)模服務”這四個方向展開?！爸袊X計劃”已獲國務院批示，并被列為“事關我國未來發(fā)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(xiàn)受腦信息處理機制啟發(fā)的智能框架、算法與系統(tǒng)。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(jù)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(fā)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(fā)布“腦科學研究”專項實施方案：

腦認知與腦醫(yī)學

腦認知與類腦計算腦認知與腦醫(yī)學2023/10/209史忠植人工智能導論：類腦智能腦認知與腦醫(yī)學2023/10/2010史忠植人工智能導論：類腦智能腦認知與腦醫(yī)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(nèi)容提要12.1概述 12.2大數(shù)據(jù)智能

12.3腦科學與類腦研究 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史忠植人工智能導論：類腦智能大數(shù)據(jù)本質上是人類社會數(shù)據(jù)積累從量變到質變的必然產(chǎn)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(tǒng)智能水平的重要途徑，對人類社會的發(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，但在實際應用中，很多企業(yè)用戶把多個數(shù)據(jù)集放在一起，已經(jīng)形成了PB級的數(shù)據(jù)量。數(shù)據(jù)類別(variety)多，數(shù)據(jù)來自多種數(shù)據(jù)源，數(shù)據(jù)種類和格式日漸豐富，包括半結構化和非結構化數(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)的實時處理。數(shù)據(jù)真實性（Veracity）高，企業(yè)越發(fā)需要有效的信息之力以確保其真實性及安全性。大數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)本質大數(shù)據(jù)價值182023/10/20史忠植人工智能導論：類腦智能大數(shù)據(jù)的挑戰(zhàn)192023/10/20史忠植人工智能導論：類腦智能大數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)挖掘在互聯(lián)網(wǎng)時代，收集海量數(shù)據(jù)相當容易云計算能夠處理更高數(shù)量級的數(shù)據(jù)云計算幫助解決之前不可行的或不可能的問題大數(shù)據(jù)存儲大數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)挖掘云引擎2023/10/20史忠植人工智能導論：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(lián)合開展藍腦計劃研究?！禔CM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(yī)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(jīng)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(fā)出最詳細的人腦模型。在瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院的馬克拉姆(MarkramH)的協(xié)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(yè)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(chuàng)新性神經(jīng)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(fā)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(wèi)生研究院9個資助領域，包括：統(tǒng)計大腦細胞類型；建立大腦結構圖；開發(fā)大規(guī)模神經(jīng)網(wǎng)絡記錄技術；開發(fā)操作神經(jīng)回路的工具；了解神經(jīng)細胞與個體行為之間的聯(lián)系；把神經(jīng)科學實驗與理論、模型、統(tǒng)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(shù)據(jù)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(jīng)系統(tǒng)學院設計了一種軟件稱為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(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物與無智商的高速機器區(qū)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(tǒng)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(tǒng)一網(wǎng)絡Spaun。Spaun由250萬個神經(jīng)元構成，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)行從臨摹繪畫到計數(shù)、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(tǒng)Spaun2023/10/20史忠植人工智能導論：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 史忠植人工智能導論：類腦智能神經(jīng)形態(tài)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(xiàn)，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(jīng)過一定的時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習功能得以實現(xiàn)。2023/10/2039史忠植人工智能導論：類腦智能神經(jīng)形態(tài)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(jīng)形態(tài)芯片?！堵槭±砉た萍荚u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(jīng)形態(tài)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(jīng)形態(tài)芯片1990年，加州理工學院名譽教授米德（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制結果（開/關）的數(shù)字芯片，可以像現(xiàn)實世界一樣得出各種不同的結果，可以模擬人腦神經(jīng)元和突觸的電子活動?！?023/10/2041史忠植人工智能導論：類腦智能高通神經(jīng)網(wǎng)絡處理器Zeroth高通（Qualcomm）公司的“神經(jīng)網(wǎng)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(fā)的軟件工具可以模仿大腦活動，處理器上的“神經(jīng)網(wǎng)絡”按照人類神經(jīng)網(wǎng)絡傳輸信息的方式而設計，它可以允許開發(fā)者編寫基于“生物激勵”程序。高通設想其“神經(jīng)網(wǎng)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(tǒng)TrueNorth2023/10/2043史忠植人工智能導論：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，液態(tài)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(tài)分類通過離線學習加到系統(tǒng)結構中。現(xiàn)在這些算法在TrueNorth中運行無需改變。為了測試在現(xiàn)實世界應用問題，開發(fā)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(zhàn)：（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(jīng)形態(tài)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(xié)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(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，而是一個完整的硅圓片，在上面目前集成了20萬個神經(jīng)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(fā)的類似人腦的新型計算機系統(tǒng)結構的基石。2023/10/2045史忠植人工智能導論：類腦智能神經(jīng)形態(tài)芯片2023/10/2046史忠植人工智能導論：類腦智能神經(jīng)形態(tài)芯片2023/10/2047史忠植人工智能導論：類腦智能英國神經(jīng)形態(tài)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(jīng)網(wǎng)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(jīng)網(wǎng)絡硬件。2012年陳天石等人提出的國際上首個人工神經(jīng)網(wǎng)絡硬件的基準測試集benchNN。推出了一系列寒武紀神經(jīng)網(wǎng)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(jīng)網(wǎng)絡的原型處理器結構）、DaDianNao（面向大規(guī)模人工神經(jīng)網(wǎng)絡）和PuDianNao（面向多種機器學習算法）寒武紀系列神經(jīng)網(wǎng)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(nèi)容提要12.1概述