◎ 科技日報記者 林莉君

對于我國學術界來說，在世界頂級學術期刊《自然》上刊發(fā)論文早已不是啥大事兒。

但是“以計算機系作為第一完成單位，論文被《自然》刊發(fā)，在我們國家還是第一篇 。我的一些搞計算機研究的朋友知道了這個消息，都特別開心。”中國工程院院士鄭緯民語氣中難掩激動！

被鄭院士點名的這篇論文，昨天晚上也就是10月14日，被《自然》刊發(fā)。這篇題為《一種類腦計算系統(tǒng)層次結構》（A system hierarchy for brain-inspired computing）的論文，由清華大學計算機科學與技術系（以下簡稱“計算機系”）張悠慧團隊、精密儀器系（以下簡稱“精儀系”）施路平團隊與合作者共同完成，清華大學計算機系是第一完成單位。

“從除夕夜提交論文到8月上旬被接受，這個審稿時間是非常快的。”清華大學類腦計算研究中心主任、精儀系教授施路平告訴記者。“受新冠肺炎疫情影響，論文的兩輪修改都是由各團隊通過線上緊密合作完成，我們通過和審稿人交流，針對文章實驗設計回復了超過70頁的反饋文件。”

論文首次提出“類腦計算完備性”（也稱為神經(jīng)形態(tài)完備性）概念——針對任意給定誤差?≥0和任意圖靈可計算函數(shù)f(x)，如果一個計算系統(tǒng)可以實現(xiàn)函數(shù) F(x) 使得 ‖F(xiàn)(x)-f(x)‖≤?對所有合法的輸入x均成立，那么該計算系統(tǒng)是類腦計算完備的。

張悠慧研究員

“通俗來講，‘完備性’可以回答系統(tǒng)能夠完成什么、功能邊界在哪里等問題。 研究完備性，能為軟硬件系統(tǒng)的解耦合、劃分不同研究領域間的任務分工與接口提供理論基礎。”張悠慧告訴記者。類腦計算處于起步階段，國際上尚未形成公認的技術標準與方案，這一成果填補了完備性理論與相應系統(tǒng)層次結構方面的空白，利于自主掌握新型計算機系統(tǒng)核心技術。

《自然》雜志的一位審稿人認為“這是一個新穎的觀點，并可能被證明是神經(jīng)形態(tài)計算領域以及對人工智能的追求的重大發(fā)展（This is a novel perspective and could prove to be a significant development for the field of neuromorphic computing, and in the quest for artificial general intelligence）”。

計算機體系結構專家、華中科技大學計算機學院教授金海評價此項研究“在類腦計算系統(tǒng)領域做出了基礎性、原創(chuàng)性的貢獻，有利于自主掌握新型計算系統(tǒng)軟硬件核心技術。 ”

通用計算領域有兩個著名概念，一個是“圖靈完備性”，另一個是“馮·諾依曼體系結構”。這使得通用計算領域在軟件層、編譯層和硬件層都有了統(tǒng)一的范式，使不同層次各自發(fā)展而又可以無縫兼容。

“但是，現(xiàn)有的類腦計算系統(tǒng)研究大多聚焦于如何實現(xiàn)具體的芯片、工具鏈、應用和算法的創(chuàng)新，忽略了從宏觀和抽象層面上對計算完備性和體系結構的思考，阻礙了類腦計算軟硬件的獨立發(fā)展和互相兼容的可能性，我們一直在思考如何突破這一局面，擴展類腦計算系統(tǒng)的應用場景？”提起科研的初衷，張悠慧告訴記者。

團隊針對類腦計算特性——不像通用計算注重每一個計算過程的精確而更注重結果擬合，提出了對計算過程和精度約束更低的類腦計算完備性概念，并且設計了相應的類腦計算機層次結構：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(shù)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(tǒng)也可以支持通用計算，極大地擴展了類腦計算系統(tǒng)的應用領域，也使類腦計算軟硬件各自獨立發(fā)展成為可能。

類腦計算機層次結構（左）與現(xiàn)有通用計算機（右）的對比

“一開始審稿人認同我們研究問題的意義，但是并不理解我們對于研究問題的解決思路，對于是否有必要進行底層的計算理論設計，審稿人提出了質疑。”團隊成員、計算機系博士后渠鵬說，“但是通過對整體行文邏輯、文章內容和原型實驗的反復斟酌修改，以及對研究思路和質疑點的一一反饋，審稿人最后認同了我們的設計理念。”

張悠慧（右）與博士后渠鵬探討問題

70多頁的反饋文件，一次又一次的討論、修改、迭代，見證了團隊一步一步迎難而上的努力。“當審稿人說我們的研究明確了不同領域的分工和接口，將對類腦計算的交叉研究產(chǎn)生積極作用時，真的特別受鼓舞，感覺到團隊研究的東西是十分有意義的，也是被類腦計算社區(qū)所認可的。”渠鵬說。

來源：科技日報（圖片均由作者提供）

[責任編輯：楊凡、崔中連]

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