智能时代的脑科学与类脑智能研究

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名词解释

1.BPU（类脑处理器）：类脑计算的原理是模拟人脑神经元、突触和互连的结构，来模拟脑的行 为，解决一些认知类的问题。

2.SNN（脉冲神经网络)：脉冲网络由脉冲神经元连接而成，脉冲神经元输入为脉冲，输出也是脉冲，脉冲神经元内部有电动势v，v在没有接收到任何输入时会随着时间指数衰减到某个稳定的电动势(平衡电压)，而某一时刻接收到输入脉冲时电动势会增加某个值，当电动势增加的速度快过衰减的速度时(如频繁有脉冲输入)，神经元内部的电动势会越来越大，直到达到某个发放阈值后该脉冲神经元会发放脉冲，此后脉冲神经元电动势迅速置为静息电动势，电动势变化过程如下图二所示。电动势变化的规律又称为神经电位动力学。

3.CNN（卷积神经网络）：一种在计算机视觉领域取得了巨大成功的深度学习模型。它们的设计灵感来自于生物学中的视觉系统，旨在模拟人类视觉处理的方式。

4.DNN(深度神经网络):一种模拟人脑神经网络结构和功能的计算模型。其基本单元是神经元，每个神经元接收来自其他神经元的输入，通过调整权重来改变输入对神经元的影响。神经网络通过多层的非线性隐藏层，可以实现对复杂函数的逼近，达到万能近似的效果。

5.C-DNN（互补深度神经网络）：

6.结构化数据：即行数据,存储在数据库里,可以用二维表结构来逻辑表达实现的数据。

7.非结构化数据：包括所有格式的办公文档、文本、图片、XML、HTML、各类报表、图像和音频/视频信息等等。

8.脑科学：是研究人、动物和机器的认知 与智能的本质和规律的科学。

全文总结

1.前提：解析人类大脑这一最 为复杂的信息和智能系统，会启迪类脑智能理论和类脑智能技术，即脑科学/神经科学启发的智能理论和技术。
2.物理基础(如：脉冲神经网络智能处理器)为构建大规模类脑智能计算系统奠定了基础，未来类脑超级算力极可能超越人类大脑算力。

一、智能时代脑科学新领域：类脑智能

1.智能科技（智能时代的核心科技）

（1）通过大数据对机器进行训练，使其具有感知、理解、学习和决策等能力。（如：mlp等）

（2）智能时代生产 力 的 特 征 是 智 能 算 力 ， 超 级 智 能 计 算 系 统 （super intelligent computer）、智能芯片 （intelligent chip） 等 智能计算设施和器件是制造智能算力的关键技术。

2.类脑智能科技

（1）“智力蓝图”（intelligence blueprint），其目的是 理解认知等大脑高级功能的物质及结构基础，在防治 认知障碍性疾病的同时，建立一套脑科学的智能理论 和类脑智能科技。

（2）分为狭义和广义：狭义的是借鉴生物脑的感知行为机制和信息传递机制，构建相关类脑智能算法、模型和系统，通过软硬协同实现机器智能，相比于传统ai计算速度快、能耗少、逻辑分析和推理能力强。广义的包括类脑血管系统等生物脑的非神经元以及神经网络系统。（如：类脑组织工程等）

（3）目标：在硅基和碳基 上构造类似生物脑的结构和功能/智能，并在智能芯 片、计算机、机器人、脑医学等方面加以应用。

二、解析脑认知功能网络（数据）

对人脑感知认知神经网络功能及机 理的研究主要通过脑形态和分子成像、脑机接口等技 术检测神经元及神经环路活动，记录大脑脑区一定时 期内较为完整的神经元动态活动，各类神经递质的存 储、释放、调制等活动过程，解析脑功能的编码与解码机制。（这是物理基础，后面要进行逻辑建模）

三、开发类脑智能（从建模到应用）

（1）目前研究方向：① 借鉴人脑存储和计算合二 为一的特点，研发存算一体计算框架和算法模型，突 破“存算墙”的限制；② 实现类脑器件的三维高度集 成，研制出规模化、可扩展的通用存算一体芯片和包 含多种类脑器件的融合类脑芯片；③ 发展适用于类脑 计算的编程语言、工具和编译器；④ 借鉴人脑自主学 习、推理演绎、涌现等高级功能机制，逐步实现机器 的感知智能、自主记忆、推理与抉择、自然语言、多 模态协同感知与社会认知等功能。在智能传感器、便 携式智能信息工具、低能耗高速度和高存储的类脑智 能芯片和计算机等智能系统支撑下，构建类脑智能物联网，实现智能交通、智能医疗、无疆界全方位个性 化服务、智能社会管理和决策体系等新社会形态和 模式。

（2）目前成果：互 补 深 度 神 经 网 络 （CDNN）、美国 IBM 报道了一种大规模并行、高效能的神经推理架构—Northpole，具有存算一体、主动存储和空间计算的特 点，以及协同优化、高利用率的编程模型、广东省智能院发布了首个以 BPU（BPU 对于非结构化、随机排布、稀疏的数据运算具有更高的处理效率） “天琴芯”和类脑晶圆芯片“天琴芯·海”为技术支 撑的类脑智能计算系统等

四、结论与展望

结论：现有AI算力的高能耗以及低效率会阻碍智能技术的应用，类脑智能将打破此壁垒。

展望：脑科学是智能时代的科技前沿。我 们还可以期待类脑智能超级计算机的算力超过人类大 脑算力，类脑智能算力作为智能时代的新生产力会给 智能科技乃至人类社会带来重大变革。