2023松山湖科学会议类脑芯片学术讨论会举行

4月20日，2023松山湖科学会议类脑芯片学术讨论会在东莞松山湖科学城举行，这是今年松山湖科学会议系列学术讨论会之一。会上，来自清华大学、北京大学、南京大学、中山大学、北京航空航天大学等高校，以及中国科学院、华为技术有限公司等各界专家围绕集成电路与类脑芯片作专题报告并进行深入交流探讨。

“真正的类脑计算未来的道路很漫长”

在以《基于忆阻器的存算一体芯片》为主题的报告中，清华大学集成电路学院院长吴华强重点介绍了计算驱动集成电路技术的发展以及基于忆阻器存算一体芯片研究进展。

“人类社会一直在孜孜不倦地追求对信息处理的计算能力的提升，ChatGPT的出现便是一个很好的案例。”吴华强说，在经历数十年的发展后，集成电路目前遇到了“三座大山”，即存储墙、功耗墙以及面积墙，“尤其是人工智能的快速发展，对算力带来了全新的挑战”。

吴华强分享了几个创新思路，包括集成技术创新、计算范式创新等。其中，忆阻器存算一体技术便属于后者。吴华强说，自2016年起至今，他和团队取得了一定进展，正努力把存算一体芯片转向更多的应用场景，如5G/6G通信系统、脑机接口等领域。

北京大学集成电路学院院长蔡一茂在主题报告《基于新型神经形态器件的类脑神经网络研究》中也指出，计算与存储的分离是目前发展智能计算亟需解决的问题。“受人脑的启发产生的类脑网络，属于智能计算的一个范畴。”蔡一茂指出类脑芯片的一个重要瓶颈是缺少类似传统芯片中的MOSFET一样的统一基础器件，给设计和集成都带来重大挑战，同时即使数量不是很庞大的生物网络通过更高阶信息的额处理、复杂三维连接和群编码等可以实现较为复杂的功能，这值得研究人员思考和启发去研究具有更高智能的类脑芯片。

报告中，蔡一茂分享了他和团队基于新型神经形态器件的类脑神经网络研究探索。“器件与系统的协同设计是我们进行人工智能硬件研究的重要技术途径。”他总结说。

在南京大学电子学院教授万青看来，基于神经形态器件的类脑感知与计算是信息科学基础前沿领域，对新一代人工智能的发展具有重大意义。万青以《氧化物神经形态器件及其类脑智能应用探索》，分享了其最新研究成果，其团队近期成功研制了一种垂直集成的尖峰视锥光感受器，“这种氧化物视椎感受器被认为具有优良的色彩感知能力，将为动态视觉传感器的研制提供重要参考价值。”

“由于生物大脑运作的奥秘还有很多未解之谜，真正的类脑计算（类脑时空尖峰动力学计算）还少有人关注，未来的道路还很漫长。”万青补充说道，当前神经形态器件与类脑计算还处于起步与探索阶段，绝大多数研究还主要聚焦在针对加速深度学习算法的矩阵算法与简单的感存算一体。由于其独特的光电物性与离子耦合特性，以IGZO（铟镓锌氧化物）为代表的非晶氧化物半导体在新概念神经形态器件与三维集成类脑芯片领域将大有可为。

类脑计算需要软硬件协同

人类获取信息的80%是视觉信息，视觉观察和认知世界的重要手段。这对科学家研究类脑技术有什么启发？中国科学院半导体研究所研究员、中国科学院大学教授吴南健以《视觉感存算一体化系统芯片》为题作报告，他说，视觉芯片能够模仿人的视觉系统，把视网膜、视神经和视皮层都“集中”在视觉芯片上，其特征就是视觉感存算一体。

吴南健说，视觉芯片在无人驾驶、机器人、无人机、智能监测等诸多领域都有广阔的应用前景，他还分享了仿生视觉片上系统芯片趋势，认为人工视觉将从感知向认知进化。

中山大学微电子科学与技术学院教授、副院长虞志益在题为《类脑芯片的互连及异步电路关键技术研究》的报告中说，类脑计算最大的优势就在于低功耗及智能化，而类脑计算又是跨学科的研究，包括算法、芯片、应用和器件等。

虞志益介绍了类脑计算中的三个关键技术，即异步电路、层次化的大规模互连架构和软硬件协同设计。“异步电路有可能成为类脑计算的关键技术以及老技术‘新生’的代表。”虞志益说，类脑芯片要做成一个真正的“类脑”，天然就需要是异步电路，但距离真正产业化，异步电路还有不少关键问题需要攻克。

“当然，类脑计算是一个交叉学科，光有电路和架构方面的研究是不够的，至少还需要算法及应用，需要软硬件协同。”虞志益说。

北京航空航天大学教授李洪革则从混合概率计算类脑芯片及其应用的角度，分享了研究思路与方向。“类脑芯片如果还是按照二进制数来实现，那么可能势必摆脱不了GPU、CPU本身对数进行定义的局限性。”李洪革抛出问题：“能否转换思维，将片上运算转换成非二进制数，而是基于脉冲序列来表示的数—即概率脉冲数”

李洪革在前人基础上首次将概率计算（stochastic computing）引申成“概率数”（首次提出概率数的概念），并进行了数理分析。报告中，他细致讲解了其团队在混合概率计算方面的研究策略并实现了，混合概率计算的复杂多项式计算、脉冲神经网络的推理以及加解密的确定性计算等多应用场景下的应用。“在此基础上，实现了混合概率计算类脑脉冲神经网络芯片的设计、测试和应用”。

作为来自企业的代表，华为技术有限公司类脑计算项目负责人、类脑计算副首席专家廖健行分享了华为类脑芯片实践。他同样认为，类脑技术是系统工程。“目前类脑基础理论急需突破，需要神经科学和计算科学家们交叉融合，类脑芯片架构是端到端的工程，传感器和处理器配合才能有颠覆性突破。”廖健行说。

2023松山湖科学会议是在中国科学院学部工作局、中国工程院三局、国家自然科学基金委员会交叉科学部、广东省科学技术厅、广东省科学技术协会的关心指导下，由广东院士联合会携手东莞市人民政府联合主办。会议以“脑科学与类脑技术”为主题，共有60多位院士专家参会。会议采用“1+1+4”模式，即1场全体大会，1场脑科学与类脑智能专业委员会闭门会议，以及“脑科学”“类脑计算与系统”“类脑芯片”“类脑智能信息处理”4个专题分享研究成果，开展学术研讨交流。

广东科技报记者 刘肖勇 通讯员 袁仕联