清华大学张悠慧团队首次提出“类脑计算完备性”

10月14日，清华大学计算机系张悠慧团队和精仪系施路平团队与合作者在《自然》杂志发表题为《一种类脑计算系统层次结构》的论文，填补了类脑计算系统领域完备性理论与相应的类脑计算系统层次结构方面的空白。这是一年多来，清华大学在类脑计算领域继“天机芯”和“多阵列忆阻器存算一体系统”之后于《自然》正刊发表的第三篇成果。

类脑计算是借鉴生物神经系统信息处理模式和结构的计算理论、体系结构、芯片设计以及应用模型与算法的总称。现有类脑计算系统研究大多聚焦于具体的芯片、工具链、应用和算法的创新实现，而忽略了从宏观和抽象层面上对计算完备性和体系结构的思考。类脑计算软硬件间的高度耦合阻碍了它们在独立发展的同时互相兼容的可能性，该团队决心突破这一局面，扩展类脑计算系统的应用场景。

团队针对类脑计算不像通用计算注重每一个计算过程的精确而更注重结果拟合的特性，提出了对计算过程和精度约束更低的类脑计算完备性概念，并且设计了相应的类脑计算机层次结构：图灵完备的软件模型，类脑计算完备的硬件体系结构，以及位于两者之间的编译层。通过构造性转化算法，任意图灵可计算函数都可以转换为类脑计算完备硬件上的模型，这意味着类脑计算系统也可以支持通用计算，极大地扩展了类脑计算系统的应用领域，也使类脑计算软硬件各自独立发展成为可能。

该论文首次提出“类脑计算完备性”以及软硬件去耦合的类脑计算系统层次结构，通过理论论证与原型实验证明该类系统的硬件完备性与编译可行性，并扩展了类脑计算系统应用范围使之能支持通用计算。类脑计算处于起步阶段，国际上尚未形成公认的技术标准与方案，这一成果填补了完备性理论与相应系统层次结构方面的空白，利于自主掌握新型计算机系统核心技术。

该论文的发表，意味着清华大学相关团队在一年多的时间内完成了类脑计算领域《自然》正刊三连发。三篇论文分别从“异构融合的新型类脑计算芯片与系统”、“基于忆阻器件的神经形态芯片”、“类脑计算完备性与系统层次结构”的角度完成了类脑计算领域的首次实现，标志着清华大学在此领域的国际领先地位。

清华大学对学科交叉要求极高的类脑计算研究高度重视，于2014年9月创立由7家院系联合而成的类脑计算研究中心，融合脑科学、电子、微电子、计算机、自动化、材料以及精密仪器等多个学科，进行全方位类脑智能研究。中心瞄准重大科学问题和国家重大需求，特别是未来卡脖子问题提前布局。近年来，中心提出了符合脑科学基本规律的新型类脑计算架构——异构融合的天机类脑计算芯片架构，可同时支持计算机科学和神经科学的神经网络模型，发挥它们各自的优势。目前“天机芯”已发展到第三代，为学界提供了一个发展人工通用智能的平台和思路，将促进人工通用智能研究、赋能各行各业。（供图/清华大学）

文/北青-北京头条记者 雷嘉

编辑/谭卫平