過(guò)去5年，人工智能的發(fā)展正出現(xiàn)突破，而2015年已成為人工智能技術(shù)標(biāo)志性的一年。相對(duì)于以往，計(jì)算機(jī)正越來(lái)越聰明，而學(xué)習(xí)速度也越來(lái)越快。
谷歌高級(jí)研究員杰夫·迪恩(Jeff Dean)表示，人工智能的發(fā)展正在加速。為了慶祝過(guò)去一年的發(fā)展，制定未來(lái)一年的發(fā)展藍(lán)圖，迪恩和許多知名人工智能研究人員本周前往蒙特利爾，參加了神經(jīng)信息處理系統(tǒng)大會(huì)。這一大會(huì)從1987年開(kāi)始，由于人工智能的興起，過(guò)去幾年已成為硅谷公司必參加的會(huì)議。
2013年，在神經(jīng)信息處理系統(tǒng)大會(huì)上，F(xiàn)acebook CEO馬克·扎克伯格(Mar Zuckerberg)公布了該公司在人工智能方面的計(jì)劃，即成立人工智能實(shí)驗(yàn)室。另一家名為DeepMind的創(chuàng)業(yè)公司展示了能學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)游戲的人工智能系統(tǒng)。該公司隨后被谷歌收購(gòu)。
本周大會(huì)上將有許多問(wèn)題需要討論。而今年人工智能研究取得的長(zhǎng)足進(jìn)步是由于一系列原因。一方面，云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施正越來(lái)越強(qiáng)大，成本不斷降低，這意味著研究人員可以更方便地處理更復(fù)雜的信息。此外，研究人員正在獲得多種數(shù)據(jù)集合，以及免費(fèi)或廉價(jià)的軟件開(kāi)發(fā)工具。在這些工具的幫助下，以往研究成本高昂的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)正變得更普及。
科技行業(yè)巨頭，例如谷歌、Facebook和微軟，在這一過(guò)程中扮演了重要角色。這些公司運(yùn)營(yíng)著自主的人工智能實(shí)驗(yàn)室，在這一領(lǐng)域完成了許多重要研究，并將研究成果公開(kāi)給學(xué)術(shù)界。今年，谷歌的研究者在《自然》雜志上發(fā)表學(xué)術(shù)論文，介紹了一種無(wú)需人工介入即可自行學(xué)習(xí)玩Atari游戲的人工智能系統(tǒng)。Facebook開(kāi)發(fā)了一種方式，幫助計(jì)算機(jī)向盲人描述圖像。微軟展示了Skype Translator服務(wù)，能自動(dòng)將一種語(yǔ)言語(yǔ)音翻譯成另一種語(yǔ)言。IBM則表示，人工智能將是最重要的增長(zhǎng)領(lǐng)域。
創(chuàng)業(yè)公司也在人工智能的發(fā)展過(guò)程中帶來(lái)了許多貢獻(xiàn)。Preferred Networks開(kāi)發(fā)的人工智能系統(tǒng)已被用在日本工業(yè)機(jī)器人公司發(fā)那科的產(chǎn)品中，而Indico Data Labs則與Facebook研究人員合作，教會(huì)計(jì)算機(jī)如何為人類(lèi)面孔涂色。
計(jì)算機(jī)目前可以更好地識(shí)別照片。2012年，多倫多大學(xué)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)在全球圖像識(shí)別技術(shù)大賽中獲勝。這一團(tuán)隊(duì)隨后全員加入谷歌，而該團(tuán)隊(duì)的技術(shù)已被谷歌和其他公司廣泛采用。到2015年，基于該團(tuán)隊(duì)深度學(xué)習(xí)技術(shù)的人工智能系統(tǒng)正變得更準(zhǔn)確。在測(cè)試中，錯(cuò)誤率已下降至約5%，與人類(lèi)的表現(xiàn)類(lèi)似。
許多公司正在擁抱人工智能，而谷歌是其中的佼佼者。2012年，谷歌還只在有限的項(xiàng)目中應(yīng)用人工智能技術(shù)，而目前人工智能技術(shù)已經(jīng)深入至谷歌的數(shù)千個(gè)項(xiàng)目中。
另一方面，創(chuàng)業(yè)公司也在積極接受人工智能。結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)提供商CrowdFlower表示，企業(yè)目前需要越來(lái)越多的數(shù)據(jù)，去進(jìn)行人工智能研究。另一家創(chuàng)業(yè)公司DifffBot則在使用人工智能優(yōu)化自動(dòng)化數(shù)據(jù)收集工具。
人工智能研究的一個(gè)重點(diǎn)在于教會(huì)計(jì)算機(jī)自主思考，自主優(yōu)化對(duì)普通問(wèn)題的解決方案。其中一種方式是向計(jì)算機(jī)提供真實(shí)世界的簡(jiǎn)化版本，例如電子游戲中簡(jiǎn)化的環(huán)境，隨后要求計(jì)算機(jī)自主探索這一環(huán)境，并記錄結(jié)果。谷歌的Atari項(xiàng)目就是這樣一個(gè)案例。不過(guò)，人工智能的可能性不止于游戲：類(lèi)似的軟件可以指導(dǎo)人工智能計(jì)算機(jī)，幫助它們更快地學(xué)習(xí)新事物，例如醫(yī)學(xué)診斷、環(huán)境科學(xué)，以及優(yōu)化的個(gè)性化推薦等。
谷歌的迪恩表示，人工智能近期的發(fā)展是一種進(jìn)化。“目前，我們正在實(shí)現(xiàn)真正的進(jìn)化。以往，動(dòng)物沒(méi)有眼睛，而現(xiàn)在它們有了眼睛。”他表示，“這將帶來(lái)巨大的改變。以往計(jì)算機(jī)并沒(méi)有很好的視覺(jué)，而目前它們可以張開(kāi)自己的眼睛。”
附加：類(lèi)腦計(jì)算機(jī)的現(xiàn)在與未來(lái)
發(fā)軔于1956年的人工智能，曾試圖賦予計(jì)算機(jī)更多的類(lèi)人智能，但至今仍未成功，更談不上具有自主學(xué)習(xí)、想象創(chuàng)造等人類(lèi)智能的高級(jí)特征。不過(guò)，近年來(lái)，“類(lèi)腦計(jì)算”卻從理念走向?qū)嵺`，正走出一條制造類(lèi)人智能的新途徑。所謂“類(lèi)腦計(jì)算”，是指仿真、模擬和借鑒大腦神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和信息處理過(guò)程的裝置、模型和方法，其目標(biāo)是制造類(lèi)腦計(jì)算機(jī)。
A.類(lèi)腦計(jì)算機(jī)可能嗎
人們往往會(huì)質(zhì)疑：大腦奧秘尚未揭示，我們還不了解智能背后的基本原理，怎么能制造出具有“大腦智能”的類(lèi)腦計(jì)算機(jī)呢?
筆者認(rèn)為，這一質(zhì)疑存在的問(wèn)題，是沒(méi)有分清“類(lèi)腦”的兩個(gè)層次：結(jié)構(gòu)層次的仿真和功能層次的模擬。類(lèi)腦計(jì)算機(jī)的“類(lèi)”是從結(jié)構(gòu)層次仿真入手，即采用光電微納器件模擬生物神經(jīng)元，以及神經(jīng)突觸的信息處理功能，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)仿照大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。在仿真精度達(dá)到一定范圍后，類(lèi)腦計(jì)算機(jī)將具備生物大腦類(lèi)似的信息處理功能和系統(tǒng)行為，包括“靈感涌現(xiàn)”等高級(jí)智能。簡(jiǎn)言之，類(lèi)腦計(jì)算機(jī)不是等待理解智能或心智的機(jī)理后再行模擬，而是繞過(guò)這個(gè)更為困難的科學(xué)問(wèn)題，通過(guò)結(jié)構(gòu)仿真等工程技術(shù)手段間接達(dá)到功能模擬目的。
實(shí)際上，科學(xué)發(fā)現(xiàn)和技術(shù)發(fā)明從來(lái)就是相互作用的復(fù)雜過(guò)程，不是“前者決定后者”的簡(jiǎn)單關(guān)系。中國(guó)“四大發(fā)明”都是技術(shù)實(shí)踐成果，并無(wú)科學(xué)發(fā)現(xiàn)作為前提。近代科技史上，飛機(jī)和空氣動(dòng)力學(xué)是另一個(gè)鮮活案例。19世紀(jì)經(jīng)典流體力學(xué)已經(jīng)形成，但并未出現(xiàn)指導(dǎo)飛機(jī)設(shè)計(jì)的空氣動(dòng)力學(xué)。1903年萊特兄弟發(fā)明飛機(jī)，1908年馮·卡門(mén)專(zhuān)赴巴黎目睹飛行表演后，才下決心“要不惜一切代價(jià)去研究風(fēng)以及在風(fēng)中飛行的全部奧秘，總有一天我會(huì)向法爾芒講清楚他的飛機(jī)為什么能上天的道理”。
腦科學(xué)與類(lèi)腦計(jì)算機(jī)的關(guān)系也是如此。人腦雖然是迄今已知的最為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，規(guī)模龐大，但仍然是一個(gè)復(fù)雜度有限的物理結(jié)構(gòu)：擁有約一千億個(gè)神經(jīng)元，每個(gè)神經(jīng)元通過(guò)數(shù)千甚至上萬(wàn)個(gè)神經(jīng)突觸和其他神經(jīng)元相連接。采用神經(jīng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)手段，從分子生物學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)層次解析大腦神經(jīng)元和突觸的物理化學(xué)特性，理解神經(jīng)元和突觸的信號(hào)加工和信息處理特性，并無(wú)突破不了的技術(shù)障礙。隨著探測(cè)手段的不斷改進(jìn)，大腦解析日益精細(xì)，而神經(jīng)元和突觸作為信息處理單元為解析精度設(shè)定了下界，因此大腦解析是一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)的工程技術(shù)問(wèn)題。
2008年，美國(guó)工程院把“大腦反向工程”列為本世紀(jì)14個(gè)重大工程問(wèn)題之一，近年來(lái)各國(guó)“腦計(jì)劃”也將大腦高精度解析列為重要內(nèi)容進(jìn)行支持。我們不應(yīng)再糾結(jié)于大腦意識(shí)原理是否突破，而應(yīng)該在大腦解析仿真最新進(jìn)展基礎(chǔ)上，爭(zhēng)取在制造類(lèi)腦計(jì)算機(jī)方面先行突破，一旦類(lèi)腦計(jì)算機(jī)能夠產(chǎn)生部分類(lèi)腦功能，揭示大腦智能奧秘也就為期不遠(yuǎn)了。
B.類(lèi)腦計(jì)算的技術(shù)路徑
類(lèi)腦計(jì)算技術(shù)路線(xiàn)總體上可分為三個(gè)層次：結(jié)構(gòu)層次模仿腦，器件層次逼近腦，智能層次超越腦。近十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外在這三個(gè)層次已經(jīng)取得不少階段性成果。
所謂“結(jié)構(gòu)層次模仿腦”，是將大腦作為一個(gè)物質(zhì)和生理對(duì)象進(jìn)行解析，獲得基本單元(各類(lèi)神經(jīng)元和神經(jīng)突觸等)的功能及其連接關(guān)系(網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu))。這一階段，主要通過(guò)神經(jīng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)采用先進(jìn)的分析探測(cè)技術(shù)完成。
1952年，英國(guó)科學(xué)家霍奇金和赫胥黎提出了以?xún)扇嗣腍H方程，精確刻畫(huà)了單個(gè)神經(jīng)元放電的非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)過(guò)程，這是神經(jīng)元信息處理的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)的相關(guān)探測(cè)手段也快速進(jìn)步。例如北京大學(xué)生物動(dòng)態(tài)光學(xué)成像中心主任、哈佛大學(xué)終身教授謝曉亮領(lǐng)銜的生物動(dòng)態(tài)光學(xué)成像中心，可以通過(guò)單分子光譜觀察細(xì)胞內(nèi)部的動(dòng)態(tài)生理過(guò)程。2014年，華中科技大學(xué)駱清銘教授牽頭的“單細(xì)胞分辨率的全腦顯微光學(xué)切片斷層成像技術(shù)與儀器”榮獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)，在神經(jīng)細(xì)胞尺度上實(shí)現(xiàn)了腦皮層的結(jié)構(gòu)解析。國(guó)際上，2014年6月，美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院發(fā)布美國(guó)腦計(jì)劃12年規(guī)劃，重點(diǎn)支持新的大腦解析探測(cè)技術(shù)，目標(biāo)是繪制出堪比“人類(lèi)基因圖譜”的“人類(lèi)大腦動(dòng)態(tài)圖譜”。相關(guān)進(jìn)展表明，對(duì)人類(lèi)大腦結(jié)構(gòu)的解析有望在十年內(nèi)獲得重大突破。
謂“器件層次逼近人腦”，是指研制能夠模擬神經(jīng)元和神經(jīng)突觸功能的微納光電器件，從而在有限的物理空間和功耗條件下構(gòu)造出人腦規(guī)模的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。這方面的代表性項(xiàng)目是美國(guó)國(guó)防部先進(jìn)研究項(xiàng)目局(DARPA)2008年啟動(dòng)的“神經(jīng)形態(tài)自適應(yīng)可塑性可擴(kuò)展電子系統(tǒng)”(即突觸)，其目標(biāo)是研制出器件功能、規(guī)模與密度均與人類(lèi)大腦皮層相當(dāng)?shù)碾娮友b置，功耗為一千瓦(人腦為20瓦)，IBM和多所大學(xué)獲得一億多美元資助。2014年8月7日，IBM在《科學(xué)》上發(fā)表文章，宣布研制成功TrueNorth神經(jīng)形態(tài)芯片，內(nèi)含一百萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元和2.56億個(gè)突觸，這項(xiàng)成果入選“2014年十大科學(xué)突破”。德國(guó)海德堡大學(xué)在神經(jīng)形態(tài)芯片研制方面已有十多年積累，今年3月，他們?cè)谝粋€(gè)8英寸硅片上集成了20萬(wàn)神經(jīng)元和5000萬(wàn)突觸，采用這種“神經(jīng)形態(tài)處理器”的計(jì)算機(jī)已經(jīng)成功運(yùn)行，其神經(jīng)元采用模擬電路實(shí)現(xiàn)，功能比IBM方案更接近生物神經(jīng)元。
類(lèi)腦計(jì)算研究的目標(biāo)是制造出類(lèi)腦計(jì)算機(jī)，其硬件主體是大規(guī)模神經(jīng)形態(tài)芯片，這種芯片主要包括神經(jīng)元陣列和突觸陣列兩大部分，前者通過(guò)后者互聯(lián)，一種典型連接結(jié)構(gòu)是縱橫交叉，使得一個(gè)神經(jīng)元和上千乃至上萬(wàn)其他神經(jīng)元連接，而且這種連接還可以是軟件定義和調(diào)整的。類(lèi)腦計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)軟件除管理神經(jīng)形態(tài)硬件外，主要實(shí)現(xiàn)各種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)到底層硬件器件陣列的映射，這里的“軟件神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”可以復(fù)用生物大腦的局部甚至整體，也可以是經(jīng)過(guò)優(yōu)化、乃至全新設(shè)計(jì)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
所謂“智能層次超越腦”，屬于類(lèi)腦計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件層次的問(wèn)題，是指通過(guò)對(duì)類(lèi)腦計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息刺激、訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，使其產(chǎn)生與人腦類(lèi)似的智能甚至涌現(xiàn)出自主意識(shí)，實(shí)現(xiàn)智能培育和進(jìn)化。刺激源可以是虛擬環(huán)境，也可以是來(lái)自現(xiàn)實(shí)環(huán)境的各種信息(例如互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù))和信號(hào)(例如遍布全球的攝像頭和各種物聯(lián)網(wǎng)傳感器)，還可以是機(jī)器人“身體”在自然環(huán)境中探索和互動(dòng)。在這個(gè)過(guò)程中，類(lèi)腦計(jì)算機(jī)能夠調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的突觸連接關(guān)系及連接強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)、記憶、識(shí)別、會(huì)話(huà)、推理以及更高級(jí)的智能。
C.類(lèi)腦計(jì)算研究在北京
中國(guó)在類(lèi)腦計(jì)算相關(guān)研究有十來(lái)年的研究歷史了。北京大學(xué)微電子研究院從2006年開(kāi)始研制神經(jīng)形態(tài)器件，2012年實(shí)現(xiàn)了神經(jīng)突觸模擬器件，響應(yīng)速度比生物突觸快百萬(wàn)倍，而單元體積只有生物突觸的十萬(wàn)分之一，在光學(xué)突觸方面也有突破。在類(lèi)腦信息處理和計(jì)算模型方面，北京大學(xué)機(jī)器感知與智能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和數(shù)字視頻編解碼技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室在視覺(jué)信息編碼和識(shí)別方面具有深厚積累。北京大學(xué)今年還成立了由生命科學(xué)學(xué)院、信息科學(xué)學(xué)院、工學(xué)院、心理學(xué)系、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)部等開(kāi)展學(xué)科交叉研究的“腦科學(xué)與類(lèi)腦研究中心”。
北京大學(xué)是我國(guó)類(lèi)腦研究蓬勃發(fā)展的一個(gè)縮影。今年以來(lái)，清華大學(xué)成立了跨七個(gè)院系的“類(lèi)腦計(jì)算研究中心”，從基礎(chǔ)理論、芯片、軟件系統(tǒng)展開(kāi)全方位研究，中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所成立了“類(lèi)腦智能研究中心”，中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所研制出世界上首款深度學(xué)習(xí)處理器芯片，中國(guó)傳媒大學(xué)腦科學(xué)與智能媒體研究院和北京印刷學(xué)院等單位在神經(jīng)系統(tǒng)高效模擬、神經(jīng)形態(tài)器件印制等方面也有很好的工作基礎(chǔ)。
今年以來(lái)，北京市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)對(duì)腦科學(xué)和類(lèi)腦計(jì)算進(jìn)行了密集調(diào)研，制定了“北京腦科學(xué)研究”專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃，并于9月1日正式對(duì)外發(fā)布。“腦認(rèn)知與類(lèi)腦計(jì)算”作為專(zhuān)項(xiàng)兩大重點(diǎn)任務(wù)之一，沿著“結(jié)構(gòu)仿真、器件逼近和功能超越”這條技術(shù)路線(xiàn)，布局了三個(gè)層次、九個(gè)方面的科研任務(wù)：建設(shè)支撐類(lèi)腦計(jì)算基礎(chǔ)研究開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的四大基礎(chǔ)性公共平臺(tái)(大腦解析仿真平臺(tái)、認(rèn)知功能模擬平臺(tái)、神經(jīng)形態(tài)器件平臺(tái)和類(lèi)腦計(jì)算機(jī)系統(tǒng)平臺(tái))，開(kāi)發(fā)兩款類(lèi)腦計(jì)算處理器芯片(類(lèi)腦處理器和機(jī)器學(xué)習(xí)處理器)并投入實(shí)際應(yīng)用，希望研制類(lèi)腦計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)，在視聽(tīng)感知、自主學(xué)習(xí)、自然會(huì)話(huà)三大類(lèi)腦智能方向取得突破并實(shí)現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用。這一專(zhuān)項(xiàng)的目標(biāo)是依托首都類(lèi)腦領(lǐng)域科研優(yōu)勢(shì)，在類(lèi)腦計(jì)算理論基礎(chǔ)研究、類(lèi)腦計(jì)算機(jī)研制和類(lèi)腦智能三方面取得理論研究和關(guān)鍵技術(shù)的重要突破，初步形成自主可控的類(lèi)腦計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈，將北京建設(shè)成為全球有重要影響力的類(lèi)腦計(jì)算科技創(chuàng)新中心和產(chǎn)業(yè)化中心。
目前，集中北京地區(qū)大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)優(yōu)勢(shì)研究力量的十多項(xiàng)類(lèi)腦計(jì)算研究項(xiàng)目已經(jīng)全面展開(kāi)。這里以筆者參加的“大腦初級(jí)視覺(jué)系統(tǒng)解析仿真平臺(tái)研究和應(yīng)用驗(yàn)證”項(xiàng)目為例。這個(gè)項(xiàng)目匯聚了信息科學(xué)和生命科學(xué)交叉的研究團(tuán)隊(duì)：視覺(jué)損傷與修復(fù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)測(cè)量視網(wǎng)膜各類(lèi)神經(jīng)節(jié)細(xì)胞在多種視覺(jué)刺激的發(fā)放模型，數(shù)字視頻編解碼技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)高逼真視網(wǎng)膜仿真軟件，生物醫(yī)學(xué)中心采用雙光子成像研究靈長(zhǎng)類(lèi)初級(jí)視皮層神經(jīng)機(jī)制，定量生物中心則從神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿真和動(dòng)力學(xué)分析方面進(jìn)行軟件模擬，通過(guò)生物實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)仿真進(jìn)行交叉驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)對(duì)生物視覺(jué)系統(tǒng)視覺(jué)信息處理和加工過(guò)程的精確重構(gòu)。預(yù)計(jì)這項(xiàng)研究不僅能深化對(duì)生物視覺(jué)系統(tǒng)信息處理過(guò)程的認(rèn)識(shí)，還有望啟發(fā)新的高效視頻編碼方法和對(duì)象檢測(cè)識(shí)別算法，并通過(guò)新一代視覺(jué)芯片支持智能機(jī)器人和無(wú)人機(jī)等產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
就像飛機(jī)發(fā)明對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)的提出起到了巨大促進(jìn)作用一樣，類(lèi)腦計(jì)算機(jī)作為生物大腦的模擬仿真系統(tǒng)，也將對(duì)揭開(kāi)意識(shí)之謎發(fā)揮重要作用。需要特別說(shuō)明的是，由于類(lèi)腦計(jì)算機(jī)的器件速度是生物神經(jīng)元和突觸的百萬(wàn)倍以上，一旦通過(guò)涌現(xiàn)方式產(chǎn)生智能，后果難以預(yù)料，對(duì)人類(lèi)來(lái)說(shuō)可能是天使，也可能是魔鬼，因此，相關(guān)的倫理和風(fēng)險(xiǎn)研究也要同步展開(kāi)。
