AI12人工智能-类脑智能

人工智能导论

Introduction

toArtificialIntelligence

第十二章史忠植

中国科学院计算技术研究所/2023/10/20史忠植人工智能导论：类脑智能1类脑智能Brain-LikeIntelligence2023/10/20史忠植人工智能导论：类脑智能2内容提要12.1概述 12.2大数据智能 12.3脑科学与类脑研究 12.4神经形态芯片 12.5类脑智能路线图 2023/10/20史忠植人工智能导论：类脑智能3概述

人类从磨擦起火把机械能转变为热能,瓦特发明蒸汽机,又把热能转变为机械能，这是人类历史上两次最伟大的创举,创造了人类前文明史。智能革命将开创人类后文明史。与能量革命实现能量的转换与利用不同，智能革命实现智能的转换与利用，即人把自己的智能赋予机器，智能机把人的智能转换为机器智能，并放大人的智能；人又把机器智能转换为人的智能，加以利用。如果说蒸汽机魔术般地创造了工业社会，那么智能机也一定能奇迹般地创造出智能社会2023/10/20史忠植人工智能导论：类脑智能4概述通过脑科学、认知科学与人工智能领域的交叉合作，加强我国在智能科学这一交叉领域中的基础性、独创性研究，解决认知科学和信息科学发展中的重大基础理论问题，创新类脑智能前沿领域的研究。200620062013201220152023/10/20史忠植人工智能导论：类脑智能5概述我们要向人脑学习，研究人脑信息处理的方法和算法，发展类脑计算成为当今迫切需求。目前，国际上非常重视对脑科学的研究。2013年1月28日，欧盟启动了旗舰“人类大脑计划（HumanBrainProject）”,未来10年投入10亿欧元的研发经费[Abbott2013]。目标是用超级计算机多段多层完全模拟人脑，帮助理解人脑功能。2013年4月2日，美国总统奥巴马宣布一项重大计划，将历时10年左右、总额10亿美元的研究计划“运用先进创新型神经技术的大脑研究(BrainResearchthroughAdvancingInnovativeNeurotechnologies：BRAIN)”，目标是研究数十亿神经元的功能，探索人类感知、行为和意识，希望找出治疗阿尔茨海默氏症(又叫老年痴呆症)等与大脑有关疾病的方法。2023/10/20史忠植人工智能导论：类脑智能6概述随着欧、美等国相继启动各种人脑计划，中国也将全面启动自己的脑科学计划。“中国脑计划”已经筹备了两三年时间，初步形成开展脑认知原理的基础、脑重大疾病、类脑人工智能的研究格局。类脑计算和人工智能研究是“中国脑计划”的重要组成部分，将以类脑人工智能研发与产业化为核心，从“湿”“软”“硬”和“大规模服务”这四个方向展开。“中国脑计划”已获国务院批示，并被列为“事关我国未来发展的重大科技项目”之一。类脑智能研究将借鉴脑的多尺度结构及其认知机制，提出并实现受脑信息处理机制启发的智能框架、算法与系统。中国脑科学研究2023/10/207史忠植人工智能导论：类脑智能根据蒲慕明介绍，“中国脑计划”的名称为“脑科学与类脑科学研究”

主要有两个研究方向：

以探索大脑秘密、攻克大脑疾病为导向的脑科学研究

以建立

发展人工智能技术为导向的类脑研究。北京脑科学研究2023/10/208史忠植人工智能导论：类脑智能2015年9月1日，北京市科学技术委员会发布“脑科学研究”专项实施方案：

脑认知与脑医学

脑认知与类脑计算脑认知与脑医学2023/10/209史忠植人工智能导论：类脑智能脑认知与脑医学2023/10/2010史忠植人工智能导论：类脑智能脑认知与脑医学2023/10/2011史忠植人工智能导论：类脑智能脑认知与类脑计算2023/10/2012史忠植人工智能导论：类脑智能脑认知与类脑计算2023/10/2013史忠植人工智能导论：类脑智能2023/10/20史忠植人工智能导论：类脑智能14内容提要12.1概述 12.2大数据智能

12.3脑科学与类脑研究 12.4神经形态芯片 12.5类脑智能路线图 大数据智能2023/10/2015史忠植人工智能导论：类脑智能大数据本质上是人类社会数据积累从量变到质变的必然产物，是在信息高速公路基础上的进一步升级和深化，提升人工系统智能水平的重要途径，对人类社会的发展具有极其重大的影响和意义。大数据首先是指数据体量(volumes)大，一般在10TB规模左右，但在实际应用中，很多企业用户把多个数据集放在一起，已经形成了PB级的数据量。数据类别(variety)多，数据来自多种数据源，数据种类和格式日渐丰富，包括半结构化和非结构化数据。数据处理速度（Velocity）快，在数据量非常庞大的情况下，也能够做到数据的实时处理。数据真实性（Veracity）高，企业越发需要有效的信息之力以确保其真实性及安全性。大数据时代2023/10/2016史忠植人工智能导论：类脑智能2023/10/2017史忠植人工智能导论：类脑智能大数据本质大数据价值182023/10/20史忠植人工智能导论：类脑智能大数据的挑战192023/10/20史忠植人工智能导论：类脑智能大数据智能202023/10/20史忠植人工智能导论：类脑智能21智能来源于大数据挖掘在互联网时代，收集海量数据相当容易云计算能够处理更高数量级的数据云计算帮助解决之前不可行的或不可能的问题大数据存储大数据分析智能2023/10/20史忠植人工智能导论：类脑智能2023/10/20史忠植人工智能导论：类脑智能22大数据挖掘云引擎2023/10/20史忠植人工智能导论：类脑智能23内容提要12.1概述 12.2大数据智能 12.3脑科学与类脑研究

12.4神经形态芯片 12.5类脑智能路线图 2023/10/20史忠植人工智能导论：类脑智能24蓝脑计划2005年6月19日报道，瑞士洛桑EPFL的脑心智研究所的HenryMarkram和IBM公司联合开展蓝脑计划研究。《ACM通讯》2009年2月份报道，IBM从DARPA得到490万美元的资助，研制类脑计算机。与IBMAlmaden研究中心和IBMT.J.Wason研究中心一起,斯坦福大学，威斯康辛-麦迪逊大学，康奈尔大学，哥伦比亚大学医学中心和加利福尼亚Merced大学都参加该项计划。去年Modha领导的IBM团队使用蓝色基因巨型计算机，模拟具有5500万神经元和5000亿个突触的老鼠大脑。欧盟人脑计划2023/10/2025史忠植人工智能导论：类脑智能HenryMarkram2013年1月28日，欧盟委员会宣布人脑计划（HBP）将在今后10年中获得10亿欧元的科研资助。人脑计划项目希望通过打造一个综合的基于信息通信技术的研究平台来研发出最详细的人脑模型。在瑞士洛桑联邦理工学院的马克拉姆(MarkramH)的协调下，来自23个国家（其中16个是欧盟国家）的大学、研究机构和工业界的87个组织将通力合作，用计算机模拟的方法研究人类大脑是如何工作的。2023/10/2026史忠植人工智能导论：类脑智能欧盟人脑计划2023/10/2027史忠植人工智能导论：类脑智能HenryMarkram蓝脑模拟欧盟人脑计划2023/10/2028史忠植人工智能导论：类脑智能人脑计划的路线图欧盟人脑计划美国脑计划2023/10/2029史忠植人工智能导论：类脑智能

2013年4月2日，美国白宫正式宣布“通过推动创新性神经技术进行脑研究(BrainResearchthroughAdvancingInnovativeNeurotechnologies,BRAIN）”的计划,简称“脑计划”。该计划被认为可与人类基因组计划相媲美，以探索人类大脑工作机制，绘制脑活动全图，针对无法治愈的大脑疾病开发新疗法。2023/10/2030史忠植人工智能导论：类脑智能2013年9月16日，美国国家卫生研究院9个资助领域，包括：统计大脑细胞类型；建立大脑结构图；开发大规模神经网络记录技术；开发操作神经回路的工具；了解神经细胞与个体行为之间的联系；把神经科学实验与理论、模型、统计学等整合；描述人类大脑成像技术的机制；为科学研究建立收集人类数据的机制；知识传播与培训。美国脑计划2023/10/2031史忠植人工智能导论：类脑智能波士顿大学认知和神经系统学院设计了一种软件称为MoNETA（modularneuralexploringtravelingagent:模块化的神经探索搜索主体）[Versaceetal.2010]，它是一个芯片上的大脑。MoNETA将运行在美国加利福尼亚惠普实验室研发的类脑（braininspired）微处理器上，其工作原理正是那些把我们哺乳动物与无智商的高速机器区别开来的最基本原则。MoNETAMoNETA2023/10/2032史忠植人工智能导论：类脑智能

MoNETA2023/10/2033史忠植人工智能导论：类脑智能

MoNETA2023/10/2034史忠植人工智能导论：类脑智能

MoNETA2023/10/2035史忠植人工智能导论：类脑智能

脑模拟系统Spaun2023/10/2036史忠植人工智能导论：类脑智能

加拿大滑铁卢大学克里斯・伊莱亚史密斯领导的研究团队研制的人工脑语义指向结构统一网络Spaun。Spaun由250万个神经元构成，模拟一系列颅内子系统，包括前额大脑皮层、基底核和丘脑等。Spaun可以执行从临摹绘画到计数、回答问题以及流畅推理等八类不同的任务。2023/10/2037史忠植人工智能导论：类脑智能脑模拟系统Spaun2023/10/20史忠植人工智能导论：类脑智能38内容提要12.1概述 12.2大数据智能 12.3脑科学与类脑研究 12.4神经形态芯片

12.5类脑智能路线图 史忠植人工智能导论：类脑智能神经形态芯片计算机的“冯·诺依曼架构”与“人脑架构”的本质结构不同，人脑的信息存储和处理，通过突触这一基本单元来实现，因而没有明显的界限。正是人脑中的千万亿个突触的可塑性——各种因素和各种条件经过一定的时间作用后引起的神经变化（可变性、可修饰性等），使得人脑的记忆和学习功能得以实现。2023/10/2039史忠植人工智能导论：类脑智能神经形态芯片模仿人类大脑的理解、行动和认知能力，成为重要的仿生研究目标，近期该领域的最新成果就是推出了神经形态芯片。《麻省理工科技评论》（MITTechnologyReview）2014年4月23日刊出了“2014十大突破性科学技术”的文章，高通（Qualcomm）公司的神经形态芯片（NeuromorphicChips）名列其中。2023/10/2040史忠植人工智能导论：类脑智能神经形态芯片1990年，加州理工学院名誉教授米德（MeadC）给出了神经形态芯片的定义——“模拟芯片不同于只有二进制结果（开/关）的数字芯片，可以像现实世界一样得出各种不同的结果，可以模拟人脑神经元和突触的电子活动。”2023/10/2041史忠植人工智能导论：类脑智能高通神经网络处理器Zeroth高通（Qualcomm）公司的“神经网络处理器”与一般的处理器工作原理不同。从本质上讲，它仍然是一个由硅晶体材料构成的典型计算机芯片，但是它能够完成“定性”功能，而非“定量”功能。高通开发的软件工具可以模仿大脑活动，处理器上的“神经网络”按照人类神经网络传输信息的方式而设计，它可以允许开发者编写基于“生物激励”程序。高通设想其“神经网络处理器”可以完成“归类”和“预测”等认知任务。2023/10/2042史忠植人工智能导论：类脑智能IBM类脑系统TrueNorth2023/10/2043史忠植人工智能导论：类脑智能神经形态芯片2023/10/2044IBM使用软件生态系统将众所周知的算法，例如，卷积网络，液态机器、受限玻尔兹曼机、隐马尔可夫模型、支持向量机、光学流量、多模态分类通过离线学习加到系统结构中。现在这些算法在TrueNorth中运行无需改变。为了测试在现实世界应用问题，开发了固定相机配置的多目标检测和分类应用。该任务有两个挑战：（1）在稀疏图像下准确检测人群、自行车、汽车、卡车和公交车（2）正确辨别物体。史忠植人工智能导论：类脑智能欧盟神经形态芯片2014年10月18日在IFIP智能信息处理国际会议上，人脑研究项目协调人之一，德国海德堡大学麦耶（MeierK）教授介绍了德国科学家取得的研究进展。麦耶宣布，神经形态系统将出现在硅芯片上或硅圆片上。这不仅是一种芯片，而是一个完整的硅圆片，在上面目前集成了20万个神经元和500万个突触。这个硅圆片的大小也就是像一个略大些的盘子。这些硅圆片就是未来十年欧盟人脑研究项目要开发的类似人脑的新型计算机系统结构的基石。2023/10/2045史忠植人工智能导论：类脑智能神经形态芯片2023/10/2046史忠植人工智能导论：类脑智能神经形态芯片2023/10/2047史忠植人工智能导论：类脑智能英国神经形态芯片SpiNNaker2023/10/2048美国高通公司ZerothNPU2023/10/20史忠植人工智能导论：类脑智能49寒武纪系列神经网络处理器2023/10/20史忠植人工智能导论：类脑智能50

陈云霁等从2008年开始走上了体系结构和人工智能交叉研究的道路，探索神经网络硬件。2012年陈天石等人提出的国际上首个人工神经网络硬件的基准测试集benchNN。推出了一系列寒武纪神经网络专用处理器。当前寒武纪系列已包含三种处理器结构：DianNao（面向多种人工神经网络的原型处理器结构）、DaDianNao（面向大规模人工神经网络）和PuDianNao（面向多种机器学习算法）寒武纪系列神经网络处理器2023/10/20史忠植人工智能导论：类脑智能512023/10/20史忠植人工智能导论：类脑智能52内容提要12.1概述