人工智能與超算技術牽領下的人機協同、跨媒體感知與生活服務賦能

廖湘科

2017年7月，國務院發布了《新一代人工智能發展規劃》，勾勒出我國未來15年的人工智能發展路線圖，預示著中國的人工智能時代就此開啟。在此背景下，企業需要抓住這一技術紅利規劃未來發展，同時，人工智能“井噴式”發展，也帶來一個直接的效應——人工智能領域的人才需求迅速膨脹。數據顯示，我國每年人工智能人才缺口超過100萬人，尖端人才還不足美國的6%，在人工智能人才培養的數量和質量上還遠不能滿足我國人工智能發展戰略的需求。

在國家新一代人工智能發展規劃感召下，2018年4月，教育部發布《高等學校人工智能創新行動計劃》，提出到2030年，我國高校要成為建設世界主要人工智能創新中心的核心力量和人才高地。

發展人工智能是我國當下各領域理論研究和實際應用的緊迫課題，也是面向未來的國家戰略方向。為服務國家戰略需求，進一步開展人工智能前沿研究，推動我國人工智能產業的發展，國內頂尖高校與科研院所都力爭在人工智能理論、方法、工具、系統等方面取得顛覆性的突破。同時，這些高校與科研院所也主動適應人工智能創新鏈和產業鏈深度融合的特點，充分發揮人工智能在數字經濟、實體產業等領域的重要作用，積極推動人工智能創新成果在教育、文化、醫療、交通、制造、農林、金融、安全等方面的轉化。

與此同時，超級計算機技術的發展也是我國科技發展過程的重要環節。在大數據、人工智能的全新發展背景之下，大數據處理在高性能計算的設計下，給超級計算機的存儲能力帶來了偉大的挑戰與機遇。隨著我國正式步入大數據、人工智能時代，電子計算機的性能與設計正在進一步優化。超級計算機的發展不僅為人民生活帶來巨大的便利，也顯著地提高了生活水平，更是體現國家政治經濟地位與影響力的重要指標，也是衡量國家科技水平與創新能力的重要標志。我國的超級計算機經歷了“天河一號”“天河二號”“天河三號”的發展歷程，正在向著更偉大的歷史進程邁進。

習總書記在2018年5月28日的兩院院士大會上指出：“我們著力推進面向國家重大需求的戰略高技術研究，超級計算機連續10次蟬聯世界之冠，采用國產芯片的‘神威·太湖之光’獲得高性能計算應用最高獎‘戈登·貝爾’獎?！?/p>

在國家政策的大力支持下，近十幾年來，我國的超算產業實現了騰飛，達到了國際領先水平。從2002年起，中國的超算團隊經過十余年的持續研發，研制出國內安全等級最高的麒麟操作系統，打破了國外B級以上的安全操作系統技術的嚴格封鎖，成為了我國唯一選型的軍用通用操作系統。

在緊貼國家重大戰略和強大軍事科技創新的迫切需求下，高性能計算和自主可控信息系統核心關鍵技術領域在不斷地實現新的突破。2009年10月，中國首創采用“CPU+GPU異構融合體系”的“天河一號”研制成功，以亞洲第一、世界第五的運算速度創下我國計算機的最好世界排名；2010年11月，“天河一號”升級系統第一次讓中國有了全球最快的計算機，并引領“CPU+GPU異構融合體系”成為國際主流；2013年6月起，“天河二號”連續6次蟬聯世界超級計算機冠軍，其應用也從“天河一號”的科學計算拓展至大數據處理、信息服務等多個領域；2017年以來，在國內超算領域率先完成國產核心芯片自主化替代，積極推動“E級計算機關鍵技術驗證系統”項目和國家軍隊信息系統關鍵領域的核心技術突破。

2019年6月，新一期(第53屆)全球高性能計算機TOP500榜單在德國法蘭克福舉辦的國際超算大會(ISC19)上發布。美國新升級的“頂點”和“山脊”打敗了昔日的最快超算、來自中國的“神威·太湖之光”和“天河二號”，但中國大陸仍以219臺超級計算機上榜的總數蟬聯份額第一。

與此同時，從驅動計算最關鍵的部件核心處理器來看，全球最快的500臺超算中，有488臺設備采用的是美國公司生產的芯片，其中芯片霸主英特爾的處理器出現在478臺設備中，另有7臺超算系統選用了IBM Power系列處理器、3臺系統選擇了AMD處理器；另外，全球超算TOP500名單上共有133個系統采用了加速器或協處理器技術，其中的122臺使用的是美國“英偉達”不同型號的GPU處理器。這反映了中國超算的一個問題：和國外相比，我們的超算在應用類型、領域寬度等方面還存在一定差距，中國超算的任務還很艱巨。

一、人機協同與腦機融合

2016年9月，美國斯坦福大學發布了《2030年的人工智能與生活》報告，全面評估了當前人工智能的進展、挑戰、機遇與展望。人類智能(腦)和機器智能(人工智能)處理智能問題的起點不同，人類大腦功能天生固有，類腦功能需要算法和學習能力支撐。在腦神經科學領域，科學家距離完全厘清腦智能還比較遙遠，因而目前AI的高級認知功能還遠弱于人腦神經功能，隨著兩類腦功能的相互影響、相互促進，有望實現兩者匯聚，啟發人們從多個角度探索更強的智能。

近年來，以腦機接口為代表的神經技術突破使得人腦與計算機之間的結合益發緊密，腦機融合及其一體化已成為未來計算技術發展的一個重要趨勢。研究生物腦(生物智能)與機器腦(人工智能)深度融合并協同工作的新型智能系統，是當前人工智能與腦認知科學交叉領域面臨的重要課題，在神經康復、生物機器人等關系到國計民生和國家安全的領域具有重大應用需求。

已開展六十余年的人工智能研究表明，機器在檢索、計算、存儲等方面具有人類無法比擬的優勢，然而在感知、推理、歸納和學習等方面，還無法企及人類智能。鑒于機器智能與人類智能的互補性，我國學者與科學家多年前提出了混合智能(Cyborg Intelligence，CI)的研究新思路，也就是將智能研究擴展到生物智能和機器智能的互聯互通，融合各自所長，創造出性能更強的智能形態?；旌现悄苁且陨镏悄芎蜋C器智能的深度融合為目標，通過相互連接通道，建立兼具生物(人類)智能體的環境感知、記憶、推理、學習能力和機器智能體的信息整合、搜索、計算能力的新型智能系統。

混合智能系統能夠構建一個雙向閉環的，既包含生物體，又有人工智能電子組件的有機系統，比傳統的仿生學(bionic)或生物機器人(biorobot)要更進一步。其中，生物體組織可以接受人工智能體的信息，人工智能體可以讀取生物體組織的信息，兩者信息無縫交互，生物體組織對人工智能體的變動也能夠實時反饋，反之亦然。混合智能系統不再僅是生物與機械的融合體，而是同時融合生物、機械、電子、信息等多領域因素的有機整體，實現系統的行為、感知、認知等能力的增強。

從混合智能計算體系角度，國內高校目前圍繞感知增強、認知增強及閉環交互三個角度展開研究與探索，分別研制了視聽覺增強的大鼠機器人、學習增強大鼠機器人，以及癲癇預測-抑制大鼠閉環系統，同時還研制了混合智能的軟硬件支撐平臺Cyborgware。

基于“生物與機器的智能之間存在層次對應關系”的假設，混合智能的一個層次化概念框架，將生物體智能處理體系分為意圖層、決策層、感知與行為層三個層次，將機器智能體系也分為目標層、任務規劃層、感知與執行層三層。生物與機器之間，同層內功能可以相互混合調用，上下層之間功能也可以相互混合調用，形成混合感知、混合計算、混合執行等多層次多尺度的智能融合。[1]基于所提的混合智能三層體系結構，在大鼠平臺上，構建了視聽覺增強、學習增強、癲癇預測-抑制閉環混合智能系統。

二、跨媒體感知

對人工智能實體物理世界和虛擬理念世界的有效表達，是人工智能理論思考和實踐推廣的基礎。經典人工智能通過謂詞、命題和規則等方法，在充分定義前提下進行推理，邏輯相當清晰，但未能有效解決符號系統和實體世界的對應問題。知識工程試圖建立完備的常識庫與常識推理引擎，但缺乏“源頭活水”。如今，外部環境已發生重大變化，信息傳播已從文本、圖像、視頻、音頻等單一媒體形態，過渡到相互融合的跨媒體形態，如何將文本推理擴展到跨媒體分析推理，成為重要的研究問題。[2]互聯網、物聯網和大數據的快速發展，正在將我們所在的物理世界通過海量傳感器和多模態數據進行全天候描述，這為建立物理實體世界的統一語義表達創造了外部條件。

(一)跨媒體感知和跨媒體智能技術的研究目的

跨媒體智能就是要借鑒生物感知背后的信號、信息表達以及處理機理，對外部世界蘊含的復雜結構進行高效表達和理解，提出跨媒體數據泛化推理的模型、方法和技術，構造模擬和超越生物感知的智能芯片和系統。

跨媒體感知是新一代人工智能研究的重要組成部分，通過視聽感知、機器學習和語言計算等理論和方法，構建出實體世界的統一語義表達，通過跨越各種傳統媒體和新媒體的分析和推理過程，把海量數據轉換為智能應用，從而成為各類信息系統實現智能化的“使能器”。

跨媒體智能關鍵技術研究主要圍繞跨媒體分析推理展開，通過視、聽、語言等感知來分析、挖掘跨媒體知識，以補充和拓展傳統基于文本的知識體系，建立跨媒體知識圖譜，構建跨媒體知識表征、分析、挖掘、推理、演化和利用的分析推理系統，形成跨媒體綜合推理技術，為跨媒體公共技術和服務平臺的建設提供技術支撐，并在網絡空間內容安全與態勢分析、跨模態醫療數據綜合推理等領域進行示范應用。

(二)跨媒體智能理論研究的主要內容

跨媒體智能理論研究主要圍繞跨媒體感知計算理論展開，從視、聽、語言等感知通道把外部世界轉換為內部模型的過程出發，實現智能化感知和認知。

跨媒體智能理論研究與新聞傳播領域交叉的部分主要包括：研究能夠適應真實世界復雜場景的主動視覺系統，發展復雜環境感知、建模和交互等技術，使基礎傳播學“環境擬態功能”得以彰顯；研究面向媒體智能感知的自主學習，發展仿人腦記憶的媒體協同分析方法，使虛假新聞“無所遁形”，這是新聞傳播領域當下與未來非常重要的實踐應用。

(三)跨媒體智能的實際應用

這是人工智能視域下服務于媒介融合的重要手段，也是人工智能芯片多方面全鏈條嵌入的具體表現。

其一，跨媒體智能的應用需要智能芯片和硬件的支持。機器感知一直是傳統人工智能的薄弱環節，需要模擬生物視、聽、嗅、味、觸等感知通道的信號處理和信息加工模型，研制新型感知芯片并進行系統實驗和驗證。例如，仿視網膜神經網絡結構和機理的高靈敏、高動態、高保真視覺芯片能夠模擬生物視覺事件驅動、稀疏表示和異步傳輸等機理，達到“結構模仿生物視覺，速度超越生物視覺”的效果。又如，研究模擬生物皮膚的高靈敏度觸覺感知器件和芯片，構建主動接觸和精細反饋的觸覺傳感器和電子皮膚。

其二，跨媒體智能的一個典型綜合應用領域是智能城市治理。研究城市全維度智能感知推理引擎，解決城市發展過程中存在的感知碎片化、信息孤島化等問題，建立以“大跨度、大視角、大信息和大服務”為特征的城市全維度智能感知推理引擎，實現對人、車、物、事件等的多維度、跨時空協同感知和綜合推理。

其三，基于高質量芯片和硬件的跨媒體智能引擎，可以像生物大腦和感知系統那樣以極低功耗來高效地表達外部世界的復雜結構。例如，跨媒體智能引擎模擬多種生物(如猴等靈長類動物、貓、響尾蛇等)的獨特視覺機理，建立從復雜視頻圖像數據中快速搜索興趣目標的理論、模型和算法，實現具備自適應、自學習能力的智能感知系統。今后，跨媒體智能引擎在智能醫療、國民經濟、日常生活、國家安全等重要領域將得到廣泛應用。

其四，跨媒體智能技術還能推進企業智能制造轉型，為經濟增長注入新活力，提升中國經濟的發展質量。智能機器人的廣泛運用正讓中國制造業核心競爭力發生著前所未有的變化，我國智能產業正沿著“共融機器人”的路徑演進。該類機器人能適應不同環境，洞悉非結構動態環境，并具有結構的柔順性，且能夠更好地理解人的行為意圖，在一定的規則下實現人機、機器人群體間的自然交互與協同作業。

三、生活服務賦能

5G網絡時代的人工智能技術能量巨大，影響力廣泛而深遠。通過人機協同與腦機融合，構造出一個又一個史無前例的現代杰作；人工智能背景及超算下的跨媒體感知，帶動了全球化媒介融合立體化全域化向縱深邁進；在人工智能技術引領下，全社會的生活服務完全顛覆了傳統理念，在校企合作、區塊鏈服務、智能移動社會等大展風采。

(一)智能生活，銜接機器人和ET大腦

人工智能對社會的改變，往往從生活的點滴開始。工信部將智能家庭服務機器人作為人工智能應用的突破口，重點支持智能交互、智能操作、多機協作等關鍵技術研發，有效提升清潔、老年陪護、康復、助殘、兒童教育等領域的機器人智能化水平。一系列智能家庭服務機器人的相繼問世，有效提升了民眾生活的便捷度與舒適度。能提供家庭生活支援的雙臂智能服務機器人可以在家庭非結構環境下完成各種日常生活任務：與人們進行語音交互；拿礦泉水瓶，開瓶，倒水，把水杯遞給用戶等。該機器人可以“傾聽”“聊天”“觀察”“分析”，可在家庭相對非結構環境下，構建實時地圖，自由移動、自主導航，可以抓取一些物體，具備基本的智能水平。[3]不過，機器人的多信息融合、機器人雙臂的擬人化操作、視覺引導下的手眼協調以及機器人精確定位及導航等方面還需改進。

阿里巴巴集團圍繞城市、工業、零售、金融、汽車、家庭等多個場景，推出了ET工業大腦(“產業AI”方案)：通過傳感器、智能算法和強大計算能力讓機器能夠感知、傳遞和自我診斷問題，優化機器的產出和減少廢品成本。在首都機場，阿里巴巴的ET航空大腦，可幫助用戶在50秒內刷新機場1700架次航班的停機位安排，使廊橋停機位利用率提高10%，相當于每天20000名旅客不再有乘坐擺渡車的麻煩?！疤熵垺睙o人超市更是集綜合圖像識別技術、物品識別和追蹤技術、消費者行為識別技術之大全，實現“即拿即走，無感支付”的智能化消費體驗?？梢?，人工智能技術在智能家居、健康管理、移動智能終端和車載產品上的廣泛運用，將實現生活服務質量的極大飛躍。

超級計算機可以讓天氣預報的時間更為提前，預報的內容更加精準，甚至可以讓科學家們研究地球系統的大氣圈、水圈、冰凍圈、巖石圈、生物圈之間的相互聯系。很多與生活及科學息息相關的領域都需要擁有更快運算速度的超級計算機。例如，上海市政府計劃借助超級計算機的力量，用來助陣上?？諝赓|量的預測預報工作。雖然上海提前兩年完成了第七輪環保三年行動計劃的空氣環境質量改善目標，但上海市的大氣污染治理的形勢仍不容盲目樂觀。在更高要求的新目標倒逼下，上海將直面越來越多更復雜的問題，需要借助更新、更有效的治理手段。上海生態環境部門正與上海超算中心合作，升級空氣質量集合數值預報系統。

受制于氣象條件復雜多變等因素影響，上海空氣質量預報準確率仍有待于進一步提升。數據顯示，上海在2018年24小時空氣質量預報準確率僅為85%，污染時段預報的準確率為60%；48小時和72小時的污染預報準確率分別是45%和38%。若要穩步提升上海的空氣質量預報準確率，離不開上海超算中心配套提供的高性能計算及存儲條件。2019年6月底，新一代的超級計算機進入運行并提供服務后，可以基本保障上海市預測預報所需的200萬億次計算機能力和足額存儲。上?，F有集合數值預報系統將全面升級，上海空氣質量的預報頻次將從現有的1天1次升級為1天2次，同時還有能力實現提前10天至15天的空氣污染預報預警。

此外，超級計算機還能有效解決能源短缺、環境污染、全球性氣候變化等可持續發展問題的困難，支持飛機、高速列車、汽車等傳統行業的轉型升級，有助于提高產品性能、縮短研發周期和降低設計成本。在生命科學、新藥研究發展、精準醫療領域等都有著深遠的影響。

業界普遍預計到2020至2021年，E級超級計算機將登上歷史舞臺，因此E級超級計算機是當前世界各國競相角逐的戰略制高點。從P級計算到E級計算不簡單地是一個性能指標上的提升，E級計算在能耗、性能、可擴展性、可靠性、生態環境、應用編程、應用效率與適應性、多領域應用融合等諸多方面面臨著前所未有的挑戰。我國的“神威”“天河”和“曙光”已經研制成功了3臺E級原型機，驗證了部分E級超算的核心技術路線，達到了世界超算技術前列。

在中國科學院領導的大力支持下，曙光公司已經研制成功與現有主流技術標準和生態環境完全兼容的、性能全球領先的超級計算機，尤其采用了全新的相變液冷技術，基本達到現有硅基芯片制冷的極限散熱能力。

在后E級超算時代，半導體工藝已逐步逼近其物理極限，傳統的馮·諾依曼架構的瓶頸日益凸顯。超導計算機、量子計算機、類腦計算機、生物計算機、光計算機等新型計算機系統已經開始研發。不過在短期內，基于硅基半導體工藝的傳統超算技術仍然是主流，但長期來看，這些新技術具有很好的發展前景。

超級計算機的傳統應用領域還是科學研究，如氣象預測、石油勘探、CAE仿真、新材料研究、新藥發現、基因測序等。但時至今日，超算應用領域早已擴展至互聯網、物聯網、人工智能等領域，超級計算技術也滲透到了人們日常生活的方方面面。目前，超級計算機支撐著我們幾乎所有的大型信息基礎設施；未來，其也將成為城市的智慧大腦，匯聚海量數據，優化城市管理和服務，改善市民生活質量，為我們創造更加美好的生活。[4]

(二)區塊鏈服務，融入智能金融和智能旅游

區塊鏈技術是指通過塊鏈式數據結構驗證與存儲數據、通過分布式節點共識算法生成和更新數據、通過密碼學的方式保證數據傳輸和訪問的安全、通過由自動化腳本代碼組成的智能合約編程和操作數據的一種全新的分布式基礎架構與計算方式。[5]

智能區塊鏈經濟能為我們的生活帶來許多便利，買賣雙方可通過智能合約直接實現自動配對，并通過分布式的數字化登記系統，實現自動結算和清算。2015年12月，美國納斯達克證券市場通過其區塊鏈平臺Linq為一家Overstock.com的在線零售商完成一項私募企業債券的發布工作。一般債券交易需要幾天時間來清算交割，而在區塊鏈上僅需十多分鐘便可完成。

智能區塊鏈技術還可應用于旅游服務行業。例如，一名乘客買了一張前往紐約的飛機票，其航班信息、保險信息、購票銀行賬戶信息等都能被存儲到區塊鏈上，如果航班延誤，他不必撥打任何航空客服電話，也無需輸入任何銀行密碼，賠償金就會自動從保險公司的賬戶劃到該用戶的銀行賬戶里。這種智能區塊鏈技術將深刻改變居民的生活與消費習慣，進而影響社會的方方面面。

(三)智能移動社會，為智能消費和智能搜索增光添彩

人工智能應用于生活，也以智能移動互聯生活服務平臺為代表，該平臺是一個以智能移動媒體為載體，融合個人、商業信息的B2C服務系統。平臺綜合考慮用戶的行為模式、方位信息、商品品質、物流方式與配送速度等要素，為用戶提供多個優選方案，用戶確定方案、完成支付，系統根據交易信息生成條碼，并發送到用戶和商家的手機軟件上，商家在打印機上印出條碼，在備貨時將條碼粘貼到貨品上，商家發貨或用戶上店提貨，收貨時用戶出示條碼，商家使用裝有條碼識別軟件的手機，對用戶出示的條碼進行識別，通過驗證后交貨，用戶拍攝貨品上的條碼，識別驗證所收到貨品的真實性。通過手機用戶的方位信息，為用戶提供便利的衣、食、住、行等生活服務信息搜索、預約、交付服務，或為商戶提供一個產品展示、預定、訂購和產品評價的渠道。

四、小 結

人工智能和超級計算機都是國家科技與經濟發展的“新電力”，勢必將全方位地改變幾乎所有行業。與互聯網最初在我國蔓延的勢頭相似，我國擁有互聯網賴以生存的最豐富的應用場景、全球最廣的用戶群和最活躍的數據生產產業，我國有很大希望成為人工智能應用的最大市場、最強超算技術的搖籃。我國很有可能成為未來幾十年全球人工智能繁榮的強勁引擎，我國的人工智能企業也有機會成為人工智能時代具有中國特色的“英特爾”“微軟”“谷歌”和“蘋果”公司，而我國的超級計算機技術將更有可能再次超越美國、領先全球。