中國網/中國發展門戶網訊 20世紀90年月末，隨著互聯網的出現，人類社會步進智能時代，其標志是計算機科學和信息技術敏捷發展、互聯網普及、年夜數據興起、人工智能（AI）技術進步。智能時代是以智能科技為焦點技術、智能計算力為代表性生產力的時代。近年來，隨著計算機算力的增添，AI技術獲得了疾速發展和應用，人們推測當計算機的智能算力超過人腦的算力時，能夠引發智能科技的變革。懂得人腦若何能夠低能耗地進行年夜規模智能計算的道理是開發下一代智能算力的源泉。腦科學（brain science）是研討人、動物和機器的認知與智能的本質和規律的科學。人類年夜腦是最為復雜的信息和智能系統，對腦感知、認知效能神經網絡的解析會啟迪類腦智能理論和類腦智能技術。腦科學研討將若何貢獻于智能時代的社會發展？在智能時代，腦科學研討正凸顯它的多學科穿插研討的特征，以及學術研討與工程技術并舉的特征，腦科學由此新納進了腦機接口、類腦智能計算等研討領域。解析腦認知效能網絡是發展類腦智能的基礎。2023年，研討者繪制了小鼠年夜腦的完全細胞圖譜，以及較為周全的人腦和非人靈長類動物年夜腦圖譜，腦機接口進進人體臨床試驗。類腦智能研討與開發是腦科學新的前沿領域。早先出現的類腦處理器單元使構建年夜規模類腦智能計算系統成為能夠，未來類腦超級算力極能夠超過人類年夜腦算力，促進智能科技變革和影響人類社會發展。
智能時代腦科學的新領域——類腦智能
智能時代的科技內涵
智能時代的內涵是通過機器智能的發展和應用，推動一場以年夜數據為基礎的技術反動，智能計算系統能夠模擬和擴展人類的智能，具備感知、懂得、學習和決策等才能。今朝，計算機機器智能在語音識別、機器翻譯、文本摘要或創作及自動答覆問題等領域逐漸超出人類智能，能夠處理底本只要人類才幹處理的復雜問題。人機環境系統之間的緊密協作和優勢互補，人機交互不僅僅依賴于計算機知識和數學算法，還融會了哲學、神經科學、心思學、語言學、社會學等學科，實現周全和綜合性智能化應用，通過物聯網、年夜數據剖析和AI等技術的融會，設備、系統和環境加倍智能互聯和協同。智能技術幫助人類創新和創造，模擬、延長和擴展人類智能，拓展人類認知的疆界，深入地改變人類社會結構、生涯方法和社交形式。
智能時代的焦點科技是智能科技。智能時代生產力的特征是智能算力，超級智能計算系統（super intelligent computer）、智能芯片（intelligent chip）等智能計算設施和器件是制造智能算力的關鍵技術。腦科學及神經科學（neuroscience）、計算機科學、數學、普適智能計算系統、無線傳感器網絡、智能物聯網和區塊鏈等智能技術，推動著新的科技反動與產業變革。智能化設備和系統的年夜規模、綜合性運用，構建年夜型綜合性智能互聯和智能化治理系統，構成智能經濟和智能社會，使人類的生產和生涯方法發生最基礎性的改變，推動人類社會的高效和可持續發展。
類腦智能科技的內涵
腦科學已經成為世界科技戰略制高點，人類開始描繪“智力藍圖”（intelligence blueprint），其目標是懂得認知等年夜腦高級效能的物質及結構基礎，在防治認知障礙性疾病的同時，樹立一套腦科學的智能理論和類腦智能科技。
狹義的類腦智能（brain-inspired intelligence）是借鑒生物腦的感知認知行為機制和信息傳遞機制，構建相關類腦智能算法、模子和系統，并通過軟硬件協同實現的機器智能。狹義的類腦智能與傳統的AI有較年夜的區別，后者是一門結合了數學、計算機科學、心思學等多學科理論發展起來的新技術。類腦智能計算的計算速率快、能耗少、邏輯剖析和推理才能更強，類腦智能計算機體積小。類腦智能無望對計算系統架構、智能芯片、智能計算機、智能機器人進行顛覆性創新，在智能時代有著廣泛的應用遠景。
廣義的類腦智能包含類腦血管系統等生物腦的非神經元及神經網絡系統。年夜腦是能量耗費和熱量產生最顯著的器官，年夜腦耗費人體20%—25%的能量，安靜時年夜腦產熱為人體產熱量的16%，年夜腦思慮時耗費人體30%—50%的能量，產熱也增添。年夜腦血管豐富、血流量年夜，思慮時腦血流加速、散熱增添，人體皮膚血液循環是重要散熱途徑。類腦血管散熱系統有助于設計加倍節能、更小體積、更為安靜、更疾速度和加倍聰明的類腦智能計算機系統。廣義的類腦智能還包含正在興起的類腦組織工程（brain-like tissue engineering），其應用多能干細胞誘導分化的方式，獲取具有年夜腦細胞類型及結構的類腦器官，模擬和重現年夜腦的結構和效能及疾病發生過程，并摸索類腦器官的潛在醫學應用，以期恢復、維持或改良損傷年夜腦的效能。
是以，類腦智能的科技目標是分別在硅基和碳基上構造類似生物腦的結構和效能/智能，并在智能芯片、計算機、機器人、腦醫學等方面加以應用。類腦智能研討領域已成為腦科學的一部門，使傳統的腦科學研討成為從發現步進創造的一門學科，其科研結果也呈現多種情勢和類型。類腦智能也寫進了《神經科學》教科書。中國神經科學學會成立了腦機接口與交互分會和類腦智能分會，發表了《類腦智能產業與技術發展路線圖》。2022年Nature發文，認為類腦計算急需一幅巨大藍圖。
解析腦認知效能網絡
解析腦認知效能網絡是最終闡明智力來源的殊途同歸，同時可提醒人腦的任務道理，晉陞和擴展人的智力和創造性，啟發類腦智能理論和類腦智能技術。人腦認知神經網絡的效能依賴于860億個神經元相互聯結的物理形式，大批神經元通過復雜的聯結以模塊化的多層次結構來實現感知和認知效能。神經元在微納米標準上通過突觸連接的構架與信號傳遞，在百微米標準表現為年夜腦皮質效能柱等局域神經環路與信息編碼，而在宏觀標準上實現分歧腦區的神經網絡聯結與認知效能。值得留意的是長期以來缺少對人腦擺佈半球的推理、演繹、邏輯、數理、感情、語言、社會認知、藝術、創造等高級效能的深刻解析，以及其深層次的信息處理機制。
對腦感知認知神經網絡結構的研討重要通過對神經元類型和神經結構連接進行系統性的普查，繪制多標準（從突觸到腦區到整個年夜腦）、多辨別率的腦圖譜（brain atlas）。對人腦感知認知神經網絡效能及機理的研討重要通過腦形態和分子成像、腦機接口等技術檢測神經元及神經環路活動，記錄年夜腦腦區必定時期內較為完全的神經元動態活動，各類神經遞質的存儲、釋放、調制等活動過程，解析腦效能的編碼與解碼機制。腦機接口正在發展生物相容性好的柔性腦機接口系統，以及高集成度和高辨別率的腦電、腦磁信號采集和智能化剖析技術平臺。通過對神經系統結構和效能聯結規律進行周全解析將最終繪制成腦效能聯結圖譜（brain connectivity map）。
2023年，在american“腦計劃”和中國“腦計劃”分別支撐下，小鼠年夜腦的完全細胞圖譜，以及迄今最周全的人腦和非人靈長類動物年夜腦的遺傳、細胞和結構組成圖譜得以繪制。中國科學院腦科學與智能技術出色創新中間及一起配合者開發了高精度年夜視場時空組學測序技術，繪制了獼猴皮層的細胞類型、分子特征及其空間分布圖譜。北京年夜學開發了一系列神經肽熒光探針，實現了對特定神經肽生物活性的實時、在體、高效和特異性的檢測，為研討神經肽在心理和病理狀態下的釋放過程、調控和效能供給了主要東西。Musall等發現了年夜腦皮層錐體細胞類型在決策過程中驅動分歧效能的皮質活動形式，提醒了神經元類型特異性的皮層動力學塑造了感知決策。Stine等報道了上丘在終止積累證據、進行選擇決策中起著主要感化。Gordon等在年夜腦運動皮層發現了“軀體感覺-認知活動網絡”。廣東省智能科學與技術研討院（以下簡稱“廣東省智能院”）提醒了一條新的且欠亨過丘腦的脊髓-皮層直接通路（圖１），并闡明了此通路在痛覺調控中起主要感化，衝破了軀體感覺信息必須經由丘腦傳遞至年夜腦皮層的傳統觀點，樹立了皮層神經元直接接收脊髓投射神經元調控的新概念。
近期腦機接口技術獲得了主要的進展。american加州年夜學舊金山分校通過語言腦機接口使一位18年前因腦干中風形成的掉語癥患者重獲語言溝通才能，實時文本分解速度在78個詞/分鐘，錯誤率25%。中國科學院微系統與信息技術研討所、復旦年夜學附屬華山醫院和上海腦虎科技無限公司以蠶絲卵白資料、微機電系統（MEMS）等技術研制出的高通量、高密度、超柔性的記錄電極，針對柔性腦機接口植進過程中的創傷問題，開發了一種類蚊口器仿生柔性神經探針（圖2），能夠穿透硬腦膜實現多腦區微創植進，可感知植進過程中顱內血管的存在并供給損傷預警，并可實現年夜腦神經信號的術后即時采集和長期穩定跟蹤。他們開展了單神經元記錄、運動效能重建和漢語分解相關的柔性腦機接口人體臨床試驗34例，在國際上率先通過柔性腦機接口實現了癲癇患者實時多通道單神經元放電脈沖信號記錄，實現了患者實時運動解碼通過意念完成打乒乓球的電子游戲（延遲小于50毫秒，準確率年夜于90%），實現了臨床漢語語音語調解碼與分解（在無語言模子輔助下語音分解成包養網功率高于90%）。
解析認知效能神經網絡，將為基于神經環路的干預辦法、中樞神經系統的效能調節、神經精力疾病的治療供給靈感與思緒。應用遺傳學、分子生物學、物理化學技術、腦機接口與交互技術研討感知與認知神經元的發育、病變和朽邁過程，以及認知障礙性疾病病因和治療，將引領新的診斷和治療技術的發展和應用，進步人類的生涯質量。2023年，浙江年夜學發現新型抗抑郁藥物氯胺酮與其靶點N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）受體彼此感化中獨特的生物物理特徵能夠是其發揮長效感化的關鍵原因，為改革氯胺酮和開發更平安有用的新型抗抑郁藥物供給了標的目的。中國科學院深圳先進技術研討院提出了一種用于治療帕金森病的新型神經調控技術，在不影響年夜腦其他神經環路的情況下對帕金森病累及的關鍵神經環路進行精準靶向干預，為臨床治療供給了新戰略。廈門年夜學發現了游離的重要組織相容性復合體I組成亞基β2-微球卵白是介導淀粉樣卵白毒性的關鍵致病因子，修改和豐富了阿爾茨海默病（AD）淀粉樣卵白學說。我國企業界也開始從事腦疾病基礎研討和藥靶研討，上海魁特迪生物科技無限公司在2023年報道了人類DNA損傷誘導性轉錄物4樣轉錄物（DDIT4L）內含子保存（DIR）與AD樣認知障礙和淀粉樣斑塊構成有關。未來，可以等待我國更多的企業研發機構會投進腦疾病機理研討和診療技術開發。
開發類腦智能
人類年夜腦是最為復雜的信息和智能系統，對腦認知效能網絡的懂得會啟迪類腦智能理論和類腦智能技術。類腦智能研討要發展類腦智能算法、感知認知模子和技術，今朝重要體現在借助人腦信息處理機制，用脈沖信號表現時序信息的脈沖神經網絡（SNN）計算，有用地處理大批的非結構化數據，如圖像、聲音和文本等。類腦智能將從“腦結構啟發”向“兼顧腦結構啟發和腦效能啟發”邁進，“感知”和“認知”智能協同發展，由“專用智能”向“通用智能”轉變。今朝的研討標的目的有：借鑒人腦存儲和計算合二為一的特點，研發存算一體計算框架和算法模子，衝破“存算墻”的限制；實現類腦器件的三維高度集成，研制出規模化、可擴展的通用存算一體芯片和包括多種類腦器件的融會類腦芯片；發展適用于類腦計算的編程語言、東西和編譯器；借鑒人腦自立學習、推理演繹、涌現等高級效能機制，慢慢實現機器的感知智能、自立記憶、推理與抉擇、天然語言、多模態協同感知與社會認知等效能。在智能傳感器、便攜式智能信息東西、低能耗高速率和高存儲的類腦智能芯片和計算機等智能系統支撐下，構建類腦智能包養物聯網，實現智能路況、智能醫療、無疆界全方位個性化服務、智能社會治理和決策體系等新社會形態和形式。
綠色類腦智能計算
國際上類腦智能算法及計算系統研討獲得持續進展。2023年，Kim等提出了一種將卷積神經網絡（CNN）和SNN相結合的互補深度神經網絡（C-DNN）處理器，通過異構的SNN和CNN處理核，應用各自優點實現高精度低功耗的推理和訓練，實現了超高能效的類腦異構融會計算。Frenkel等比較了模擬生物神經處理系統的自下而上設計方式和為解決實際AI應用問題而設計的自上而下方式，并提出了實現類腦系統的競爭優勢所需的方式和框架。Rathi等探討了基于SNN的類腦計算，通過跨學科的方式，對設備、電路和算法進行多層優化，供給了一種端到真個實現方法，以實現高能效的類腦計算處理。americanIBM報道了一種年夜規模并行、高效能的神經推理架構——Northpole，具有存算一體、主動存儲和空間計算的特點，以及協同優化、高應用率的編程模子。
近年來，我國在類腦計算方面不僅在基礎理論上並且在產業技術上，都走活著界前列。2023年，清華年夜學報道了類腦多模態混雜神經網絡及通用地位識別系統，以及一種新型的基于憶阻器神經形態芯片的邊緣學習技術。廣東省智能院發布了首個以BPU“天琴芯”和類腦晶圓芯片“天琴芯·海”為技術支撐的類腦智能計算系統（圖3）。BPU是更接近生物腦信息處理特徵的智能處理器，采用類似神經脈沖發放傳遞的包養通訊機制，支撐事務驅動的年夜規模異步并行計算。相對于同樣擅長并行計算的圖形處理器（GPU）、張量處理器（TPU）和和神經網絡處理器（NPU），BPU對于非結構化、隨機排布、稀少的數據運算具有更高的處理效力。是以：在算力能效上，“天琴芯”通過借鑒人腦存算一體和脈沖傳導的運作形式，衝破馮·諾依曼瓶頸，打消“內存墻”和“功耗墻”的制約，實現類腦計算“速率更快、功耗更低”的算力衝破。在集成技術上，“天琴芯·海”衝破了晶圓級芯片互聯、封裝、供電、散熱等多種關鍵技術，單顆晶圓芯片可支撐2億神經元擬態計算在節能減噪上，“天琴芯”系統應用無源散熱系統，借鑒人腦血管散熱形式，不需求電力支撐可實現計算熱量的長距離傳導，為數據中間減少40%的能耗。北京年夜學和廣東省智能院還發布了BrainPy腦動力學仿真與類腦計算通用編程框架（圖4）。它是一個效能強年夜、靈活且可擴展的通用編程框架，支撐腦動力學的模擬、訓練、剖析等多種應用場景，實現高效的代碼執行，為類腦智能計算領域供給了一個統一的編程框架。
類腦智能超級計算系統
類比于動物進化的規律，隨著算力的增添，智能會加快發展。在過往數十年，摩爾定律與并行計算使計算才能晉陞了百萬倍，現在能夠到了智能飛躍的拐點。2017年，american微軟公司向OpenAI公司投資10億美元，雙方在Azure云計算服務平臺上構建AI超級計算機，擬應用強年夜的GPU算力以實現算法上的創新，研發通用人工智能（AGI），2022年發布了有名的ChatGPT——AI技術驅動的天然語言處理東西。2023年，AI芯片公司americanCerebras Systems和總部位于阿聯酋的技術控股集團G42宣布，將攜手打造一個由9臺互聯的超級計算機組成的網絡，該網絡上的第一臺超級計算機“Condor Galaxy 1”（CG-1）已經上線，算力高達4 exaFLOPS。CG-1與已知的GPU集群分歧，由64臺CS-2計算機組成，每臺CS-2由一個WSE-2晶圓芯片驅動，是今朝機能最強的AI超級計算機。但是，傳統計算機與AI超級計算機的信號-數據轉換和高精度計算在動力和時間上產生高本錢，復雜的深度學習模子耗費驚人的高訓練本錢。高能耗在很年夜水平上是由于馮·諾依曼架構的數字計算系統處理數據和儲存數據是在分歧的處所，處理器的年夜部門時間和精神都耗費在數據傳輸上。高能耗的現有超算系統不是可持續發展的AI應用平臺。
人腦有860億個神經元構成神經環路和網絡，能耗約20瓦，而雷同鉅細的人工神經網絡數字模擬的能耗約8兆瓦。類腦智能計算技術極有能夠衝破傳統的超級計算機和現在的AI超級計算機所碰到的智能演變環境天花板和高能耗天花板。2024年，澳年夜利亞的國際神經形態系統中間聯合英特爾公司和戴爾公司將制造一臺“深南”（DeepSouth）神經形態超級計算機包養，預計在投進應用。“深南”采用高度并行化的架構，每秒能進行228萬億次突觸操縱，通過計算機軟件法式和硬件設備來周全模擬人腦突觸，從而對突觸處理年夜腦信息的方法進行建模，研討年夜腦任務道理。Nature發布的“2024九年夜科技變革預測”中包含了歐洲第一臺超過10億次計算的超算Jupiter、american國家實驗室的Aurora和Capitan，用于創建人類心臟和年夜腦數字孿生模子、地球氣候高辨別率模擬等。2024年，廣東省智能院基于創制的天琴芯系列BPU，將構建類腦異構融會智能計算機，類腦智能算力達到全人腦神經元規模，將是智能算力高和能效頂尖的類腦計算科研設備。
結論與瞻望
腦科學是智能時代的科技前沿。在一系列研討技術促進下，人類年夜腦效能聯結圖譜終將被勝利繪制，腦機接口、類腦智能理論和類腦智能技術在未來數年內將成為腦科學和腦醫學研討和拓展的主要標的目的。我們還可以等待類腦智能超級計算機的算力超過人類年夜腦算包養網力，類腦智能算力作為智能時代的重生產力會給智能科技甚至人類社會帶來嚴重變革。
在這一具有時代特征的腦科技發展歷程中，我們需求更有用地強化跨學科一起配合。通過國家和處所設立的腦科學和類腦智能研討計劃，開展學科穿插研討，促進學術機構的科研人員和產業界一起配合研討；樹立以任務為導向的類腦智能研討機構，以及國際一起配合研討網絡，匯集相關學科及研討領域優秀科技人員，整合相關的各類技術方式，進行系統性設計和集成，讓集成電路、計算機科學家和工程師、數學家、物理學家、資料學家、分子細胞生物學家等與神經科學家有配合的語言，在整個研討和開發過程中共同努力，將腦啟發的科學道理應用于智能計算的軟件硬件設計和制造；樹立跨機構的類腦智強人才培訓體系，設立相應的碩士和博士培訓計劃，與相關產業親密互動一起配合培訓高技巧的技術人員。
在這一征途中我們面臨著系統性挑戰和發展機遇。今朝，AI算法和應用技術研討與開發已經持續了數十年，現在各AI賦能的行業依賴于傳統的年夜規模數字數據剖析和處理，現有的AI算力的高能耗與低效力將阻礙智能技術的廣泛應用。類腦智能研討與開發可以供給下一代顛覆性的低碳產業技術和一系列新的智能產業，但是，類腦智能技術及產業晉陞和演變還需求長期盡力，樹立其發展生態。為了實現類腦智能研討的疾速發展和社會價值，我們需求樹立學術研討界與產業界親密一起配合的有用機制，引進當局科研經費和商業資金，以支撐腦及類腦智能科學研討，支撐初創腦科技企業、新的衍生企業和轉型企業的發展。我國將會有更多的科研機構、年夜學、科技企業參與腦科學及類腦智能研討，多學科穿插和產學研一起配合機制正促進我國在腦醫學、類腦智能研討和開發以及相關產業走向世界前列。
（作者：張旭，中國神經科學學會 廣東省智能科學與技術研討院。《中國科學院院刊》供稿）