我科學家首次提出“類腦計算完備性”

鄧暉

我科學家在類腦計算體系結構領域再獲突破性進展。清華大學計算機科學與技術系張悠慧團隊、精密儀器系施路平團隊與合作者首次提出“類腦計算完備性”以及軟硬件去耦合的類腦計算系統層次結構，填補了類腦研究完備性理論與相應系統層次結構方面的空白，利于自主掌握新型計算機系統核心技術。該成果于10月14日以《一種類腦計算系統層次結構》為題發表在《自然》雜志上。

類腦計算是借鑒生物神經系統信息處理模式和結構的計算理論、體系結構、芯片設計以及應用模型與算法的總稱。近年來，類腦計算研究受到越來越多的關注。歐盟人腦旗艦研究計劃項目指出：“在未來10到20年內，誰要引領世界經濟，誰就必須在這個領域領先。”

張悠慧介紹，在通用計算機領域，圖靈完備性和馮·諾依曼體系結構是其能夠飛速發展并持續繁榮的關鍵因素，前者用來判斷計算系統能否用來解決任何計算性問題，后者則是通用計算機應用運作的體系結構：“兩者使通用計算領域在軟件層、編譯層和硬件層有了統一范式，使不同層次各自發展而又可以無縫兼容。”

但現有類腦計算系統方面的研究多聚焦于具體芯片、工具鏈、應用和算法的創新實現，對系統基礎性問題，如計算完備性、系統層次結構等思考不足，沒有形成公認的技術標準和方案，導致軟硬件緊耦合、應用范圍不明確等一系列問題。

為此，上述研究團隊提出了“類腦計算完備性”概念。相對于通用計算機，這一定義放松了對系統計算過程和精度的約束，并提出了相應的系統層次結構：圖靈完備的軟件模型，類腦計算完備的硬件體系結構，以及位于兩者之間的編譯層。通過構造性轉化算法，任意圖靈可計算函數都可以轉換為類腦計算完備硬件上的模型，這意味著類腦計算系統也可以支持通用計算，極大地擴展了類腦計算系統的應用領域，使類腦計算軟硬件各自獨立發展成為可能。

“通俗來講，‘完備性可以回答系統能夠完成什么、功能邊界在哪里等問題。”張悠慧介紹，如果說“圖靈完備性”是通用計算機領域的“圭臬”，“類腦計算完備性”則希望能為類腦計算系統領域的發展提供一個“準繩”。

審稿人認為，“這是一個新穎的觀點，并可能被證明是神經形態計算領域以及對人工智能的追求的重大發展”。