推開南京大學(xué)（以下簡稱南大）物理學(xué)院一間實(shí)驗(yàn)室的門，只見一輛小車沿著地面黑白相間的軌道中央勻速自動(dòng)行駛，時(shí)而環(huán)行、時(shí)而轉(zhuǎn)彎，從容自若。

小車“自動(dòng)行駛”的奧秘隱藏在車頂一塊指甲蓋大小的類腦處理器上?！邦惸X處理器的并行計(jì)算能力，可以直接處理傳感器收集的模擬信號(hào)并驅(qū)動(dòng)小車。小車的響應(yīng)速度可以提高約1000倍，而功耗可以降低100—1000倍?！?月28日，南大教授繆峰用這番場景，解釋類腦計(jì)算的潛力。

人腦的神經(jīng)結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)大的信息處理能力，即使做大量的腦力活動(dòng)，也只有20瓦左右的功耗?？姺逖芯康闹饕獌?nèi)容，就是模擬人腦神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)類腦器件和電路，以提升算力、降低功耗。十年來，繆峰團(tuán)隊(duì)利用“原子樂高”結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出耐高溫憶阻器、彈道雪崩探測器件、室溫高靈敏紅外探測器等器件，并獲得包括中國物理學(xué)會(huì)“黃昆物理獎(jiǎng)”，國際先進(jìn)材料學(xué)會(huì)IAAM獎(jiǎng)?wù)碌泉?jiǎng)項(xiàng)。

“前不久，習(xí)近平總書記給南大留學(xué)歸國的青年學(xué)者回信，讓我倍感振奮，我會(huì)牢記總書記囑托，傳承程開甲等老一輩科學(xué)家的精神，為實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)而不懈奮斗?！笨姺逭f。

用類腦器件搭出神經(jīng)形態(tài)計(jì)算的未來

十年前繆峰回國時(shí)，一場有關(guān)類腦計(jì)算的前沿探索，剛剛拉開序幕。想實(shí)現(xiàn)真正意義上的神經(jīng)形態(tài)計(jì)算，需要找到合適的材料、設(shè)計(jì)類腦器件結(jié)構(gòu)、構(gòu)建基于新器件的硬件系統(tǒng)。

“當(dāng)時(shí)國內(nèi)外沒有經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，最初三四年，我們反復(fù)摸索材料和器件的熱穩(wěn)定性和可靠性，原理明明都對(duì)，但器件就是不能工作，沮喪時(shí)也曾懷疑技術(shù)路線是否可行?！敝涟禃r(shí)刻，繆峰不曾放棄。2018年，團(tuán)隊(duì)在世界上首次研發(fā)出基于全二維材料的、可耐受超高溫和強(qiáng)應(yīng)力的高魯棒性憶阻器。

如果說科研的挑戰(zhàn)吸引他不斷探尋未知的邊界，那么生活中的小意外也激勵(lì)他用科學(xué)的力量挑戰(zhàn)極限。

讀大學(xué)時(shí)，繆峰的家人患上眼疾，這讓他第一次認(rèn)真地關(guān)注到眼睛的結(jié)構(gòu)。多年以后，這觸發(fā)了他研究類腦視覺傳感器的靈感：“在人腦處理的信息中，超過80%都是通過眼睛獲得的。人眼不僅可以進(jìn)行信息的探測和同步處理，而且整體功耗極小。構(gòu)建一個(gè)可以媲美人眼、能同步進(jìn)行信息探測和處理的類腦視覺傳感器，也許在智能工業(yè)、自動(dòng)駕駛、智能安防等領(lǐng)域都有應(yīng)用前景?！?/p>

2020年，繆峰和團(tuán)隊(duì)構(gòu)建出一個(gè)類腦視覺傳感器。他介紹，“我們像‘搭樂高一樣，在原子世界里，將二硒化鎢、氮化硼等性質(zhì)迥異的多種二維材料按照不同的順序堆垛，制備成垂直異質(zhì)結(jié)器件。這不僅能模仿視網(wǎng)膜的垂直分層結(jié)構(gòu)，而且不同的二維材料還可模擬視網(wǎng)膜中不同細(xì)胞的功能?！?/p>

在這項(xiàng)研究中，器件的響應(yīng)時(shí)間和功耗均接近人類視網(wǎng)膜的水平——響應(yīng)時(shí)間小于10毫秒，功耗小于10納瓦?；诖似骷瑘F(tuán)隊(duì)還進(jìn)一步構(gòu)建了一套 “類腦視覺原型系統(tǒng)”，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大規(guī)模輸入圖像的快速識(shí)別。

希望拓展神經(jīng)形態(tài)計(jì)算技術(shù)的上限

如何利用新的計(jì)算硬件和計(jì)算方案來實(shí)現(xiàn)大規(guī)模并行計(jì)算，從而不斷提升信息處理速度，是未來計(jì)算領(lǐng)域里一個(gè)廣受關(guān)注的議題。

2021年，繆峰教授合作團(tuán)隊(duì)首次提出迄今最高并行度的神經(jīng)形態(tài)類腦計(jì)算方案，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)16張字母圖片的并行讀取、并行識(shí)別、與識(shí)別結(jié)果無線傳輸?shù)墓δ苎菔尽?/p>

繆峰解釋，“傳統(tǒng)的基于交叉陣列的神經(jīng)形態(tài)計(jì)算方案一般使用直流或脈沖電信號(hào)，每路信號(hào)只能表示向量中的單一數(shù)值，無法提高并行度；而我們?cè)诿總€(gè)固定頻率的峰值上都加載了數(shù)據(jù)的信號(hào)，這樣每路信號(hào)就升級(jí)為頻率空間的一串?dāng)?shù)值。在多路信號(hào)輸入時(shí)，就可以從一個(gè)簡單的向量輸入，升級(jí)成頻率空間的矩陣輸入，那運(yùn)算的并行度就顯著提升了。而且，硬件陣列的規(guī)模越大，并行度越高?！?/p>

從設(shè)計(jì)器件結(jié)構(gòu)，到實(shí)現(xiàn)大規(guī)模并行計(jì)算，理論研究的突破讓繆峰越發(fā)篤定類腦計(jì)算的未來。眼下，他正嘗試在圖像識(shí)別、輔助駕駛等領(lǐng)域，推動(dòng)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。

“在探索神經(jīng)形態(tài)計(jì)算技術(shù)上限的路上，能不能靠計(jì)算方案的創(chuàng)新，就能修煉出特別厲害的‘分身術(shù)？”這是現(xiàn)在的繆峰時(shí)常思考的一個(gè)問題。

2021年，《科學(xué)》雜志曾公布125個(gè)科學(xué)問題，其中包括“計(jì)算機(jī)處理速度是否有上限”？

“我們希望能為回答這個(gè)問題提供新的思路，也希望能為填補(bǔ)海量數(shù)據(jù)計(jì)算需求面臨的算力缺口，提供可行的技術(shù)途徑和科學(xué)基礎(chǔ)?！边@是繆峰向自己提出的一個(gè)挑戰(zhàn)，也是他對(duì)未來的一份承諾。