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(清华大学计算机系和姚班区别)

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10月14日在《自然》杂志发表题为《一种类脑计算系统层次结构》的论文，首次提出“类脑计算的完整性”类脑计算系统的层次结构，软硬件去耦合，填补了这一领域的空白。一年多来，清华继承了类脑计算领域“天机芯”和“多阵列记忆器存算集成系统”之后，《自然》发表的第三篇成果也是计算机系第一完成单位发表的第一篇《自然》论文。目前，清华正在开发第三代“天机芯”以及新型脑计算机。

近年来，脑计算研究越来越受到重视。脑计算是生物神经系统信息处理模式和结构的计算理论、系统结构、芯片设计、应用模型和算法的总称。脑计算处于起步阶段，尚未形成国际公认的技术标准和方案。

一般计算机“图灵完备性”概念与“冯诺依曼”本研究首次提出了相应的系统结构“类脑计算的完整性”通过理论论证和原型实验结构，通过理论论证和原型实验证明了该系统的硬件完整性和编译可行性，并扩大了类脑计算系统的应用范围，以支持通用计算。本研究结果填补了完整性理论和相应系统层次结构的空白，有利于独立掌握新计算机系统的核心技术。

现有脑计算系统的研究主要集中在具体芯片、工具链、应用和算法的创新实现上，但缺乏计算完整性、系统层次结构等系统基本问题，导致软硬件紧密耦合、应用范围不明确等一系列问题。但从现有通用计算机的发展历史和设计方法来看，完善的计算完整性和软硬件去耦合层次结构是计算系统蓬勃发展的计算理论和系统结构基础。

为此，研究小组提出“类脑计算的完整性”概念(也称神经形态完整性)——给出任何误差≥任何图灵都可以计算函数f(x)，如果计算系统能够实现函数 F(x) 使得 ‖F(x)-f(x)‖≤所有合法输入x入x，然后计算系统是类脑计算完整的。

“通俗来讲，‘完备性’可以回答系统可以完成什么，功能边界在哪里。研究完整性可以为软硬件系统的解耦和不同研究领域之间的任务分工和界面的划分提供理论基础。我们的研究侧重于完整的理论研究，并首先回答基本问题。”清华计算机系研究员张悠慧说。

与现有通用计算机(右)相比，类脑计算机的层次结构(左)

与通用计算机相比，这一定义放松了对系统计算过程和精度的限制。该团队进一步提出了类脑计算机的相应层次结构和硬件原语（相当于通用处理器的机器指令），以确保类脑计算的完整性，以充分利用这一新完整性的优势。该结构有三个层次:图灵完整的软件模型；类脑计算完整的硬件系统结构；两者之间的编译层；并设计结构性转换算法，将任何图灵可计算函数转换为类脑计算完整硬件上的模型。

近年来，清华脑计算研究中心提出了符合脑科学基本规律的新型脑计算架构——天机脑计算芯片架构的异构融合可以支持计算机科学和神经科学的神经网络模型，充分发挥各自的优势。目前“天机芯”已发展到第三代，为学术界提供了发展人工通用智能的平台和理念，将促进人工通用智能的研究，赋予各行各业权力。

清华天机芯片驱动的自动驾驶自行车曾度刷屏，被网友戏称为“自行车变精了”

第一代“天机芯”2015年6月，芯片首次将人工神经网络与脉冲神经网络异构融合，兼顾技术成熟、应用广泛的深度学习模型和未来前景广阔的计算神经科学模型。

第二代“天机芯”即去年8月1日《自然》封面文章发表的成果，具有高速、高性能、低功耗的特点。

目前，该中心正在开发第三代“天机芯”以及新型脑计算机。而基于现有“天机芯”天机脑计算机是一种普通的脑计算系统，可以满足脑智能应用的需要，主要包括系统架构、脑处理器单元、软件工具链、输入输出子系统、脑计算机加载测试环境等，一代原型可以输入36个异步视频1万 帧/秒的实时数据处理。