類腦計算 ：未來技術和產業 “鍛長板”突破口

張鑫

摘? ?要：新一輪科技革命催生的未來技術和新興產業的國際競爭愈演愈烈。為實現中長期、可持續、動態化的科技自立自強，在攻克關鍵少數“卡脖子”領域的同時，更需要對未來技術和產業“鍛長板”， 防范新一輪“卡脖子”問題，助推中國產業結構轉型升級。作為被國際半導體協會認定為后摩爾時代最 具發展潛力的顛覆性計算技術之一，類腦計算有望引領人工智能從專用走向通用階段。目前，中國類腦 計算技術已擁有局部優勢，有望成為未來集成電路和人工智能領域的關鍵“長板”，也為解決高端芯片 “卡脖子”問題提供了“換道超車”的新路徑。未來，應加快構建支持前沿技術創新的新型舉國體制， 有效推動類腦計算實現技術和產業化突破。

關鍵詞：類腦計算;科技自立自強;鍛長板;新型舉國體制

為了實現中長 期、可持 續、動態化的科技 自立自強，中國既要針對“卡脖子”領域加快補 短板，更要在未來技術和產業上加強前瞻性布 局，不斷“鍛長板”。類腦計算（Brain-inspired Computing）被國際半導體協會認定為后摩爾時代 最具發展潛力的顛覆性計算技術之一，有望引領 人工智能從專用走向通用階段。中國類腦計算已 具備局部技術優勢和初步商業化條件，亟需在政 策引導上持續發力，盡快將其打造成未來技術和 產業的新“長板”。

一、類腦計算是后摩爾時代極具應用潛力 的顛覆性技術，有望推動人工智能發展走 向通用階段

數字經濟的高速發展離不開超大規模的計算 能力，而現有的計算模式存在算力的“天花板”，亟待后摩爾時代的新一輪顛覆性技術革命。根據 國際電子電路協會等多家機構的預測，未來十年 很可能將迎來新型計算產業的高速發展期。在眾 多新型計算技術中，類腦計算和量子計算被國際 半導體協會認定為未來最具潛力的兩大顛覆性計 算技術。類腦計算是借鑒腦科學基本原理，以開 發通用人工智能（AGI）為目標的一種新型計算技 術。這兩種技術各有千秋，但類腦計算具備兩項 獨特優勢。

一是類腦計算有望成為未來通用人工智能

的實現路徑。 目前人工智能主要依賴機器學習 技術，即在“馮·諾依曼架構”計算機的基礎 上，不斷升級計算和存儲設備，并利用日益龐 大的數據集加以訓練學習，從而開發出更為復 雜的算法模型，以實現智能化決策能力。但是， 這種技術路徑只適合一些特定應用場景，如不 能引入腦科學原理，將來實現通用人工智能的可能性很小。類腦計算就是借鑒了大腦基本運 行原理，用以實現小數據學習、事件觸發、近 似計算、高度并行等符合通用人工智能需求的 技術特征，很可能引發從專用到通用的新一輪 人工智能革命。

二是類腦計算在近年內實現規模化商用的可 能 性 更 高。 與量子計算相比，類腦計算的發 展前景更清晰、技術實現方式更成熟、市場需求 也更迫切。從發展前景來看，據國際 IT 技術咨 詢公司高德納（Gartner）分析，類腦計算預計在 2024-2029 ?年間達到技術成熟期并實現大規模商用，而量子計算要在 2030 年之后才可能實現大規 模商用。從技術支撐來看，類腦計算可以直接使 用現有的計算系統設計方法，與現代計算系統相 互兼容、靈活部署，而量子計算則需要開發全新 設備且必須在極低溫條件下運行。從市場條件來 看，人工智能的巨大應用需求可以直接帶動類腦 計算的商業化發展。目前專用人工智能訓練模型 功耗大、費時長，已成為其主要瓶頸，而類腦計 算能夠以小得多的代價完成同樣的訓練任務，市場需求潛力很大。

二、中國類腦計算技術已擁有局部優勢， 有望成為未來集成電路和人工智能領域的 關鍵“長板”

中國類腦計算研究成果數量、質量均已接近 美國，并在部分領域形成了領先優勢。根據愛思 唯爾 Sci Val 科研數據，2015-2020 年世界各國 發表的類腦計算論文共計 13918 篇，其中美中 兩國發表數量位居前兩名，占比依次為 24.1% 和 15.4%。雖然存量仍有差 距，但中國年度 發表論文數量從 2015 年的 110 篇快速躍升至2020 年的 590 篇，已接近美國。從質量指標來 看，中美類腦計算論文篇均被引用數量分別為 7.3 次和 8.1 次;中國收錄于頂級（前 1%）期 刊的 論文 占比 為 5.6%，超 過了 美國 的 3.9%。 在部分細分領域，中國研究機構的成果已達到 世界領先水平。如清華大學施路平教授團隊的 成果，曾被美國白宮科技政策辦公室評價為全球類腦計算亮點之一，該團隊開發的類腦計算 芯片——“天機芯”還登上了《自然》雜志封面。 此外，清華大學吳華強教授團隊、浙江大學潘 綱教授團隊在卷積神經網絡、類腦操作系統等 前沿領域均取得了世界矚目的重要進展。

中美兩國類腦計算的發展優勢相似，主要表 現為計算機科學基礎雄厚、政產學研多創新主 體參與、國際合作水平較高等。從類腦計算科 研學者的學科背景來看，計算機科學、工程學、 數學領域的科研工作者對類腦計算貢獻占據前 三，其中，中美兩國計算機科學領域學者的占 比分別為 45.5% 和 44.6%。 從類腦計算研究機 構來看，中國的主要劣勢在于缺乏領軍企業。 美國論文數量排名前十的研究機構中有 8 所高 校、1 ?家企業和 1 個國家實驗室，其中，普渡 大學、加州大學圣地亞哥分校和匹茲堡大學等 三家高校發表論文數量位居前三;I BM 盡管發 表論文數量略少，但得益于其開發的類腦芯片 “真北芯片（True North）”等奠基性工作，IBM 的類腦計算論文總引用量和篇均被引量相比其 他機構遙遙領先;美國聯邦政府所屬的橡樹嶺 國家實驗室在類腦計算方面的研究近年來呈現顯著增長態勢，2015 年后的論文增長率位居首 位。中國論文數量排名前十的研究機構中有 8 所高校、2 個研究機構。其中，中科院、清華 大學和北京大學發表論文數量位居前三;上海 交通大學和清華大學的篇均引用量遠高于其他 研究單位;中國科技大學和電子科技大學的論 文數量增長最快。從類腦計算相關論文的國際 合作情況來看，中美兩國均有大約 1/3 的論文 采用了國際合作的形式發表，并且中美兩國合 作較為緊密。例如，清華大學與美國研究機構 合作的相關論文數量高達 44 篇，已成為全球類 腦計算領域與美國合作成果最多的機構。

三、類腦計算為解決高端芯片“卡脖子” 問題提供“換道超車”的新路徑

制造工藝是芯片“卡脖子”的關鍵環節，類 腦計算具備突破這一限制的巨大潛力。據清華大 學類腦計算研究中心估計，類腦計算芯片架構獨 特，具有低功耗、高算力等優勢，有望在中國半 導體工藝落后 2-3 代的情況下，獲得比國外傳統 架構高端芯片更強大的計算能力。而且，相對于 已被少數發達國家掌控的傳統半導體技術，類腦 計算還未形成由單一國家把持的技術壁壘，一旦 中國率先取得關鍵技術突破，有可能對現有計算 模式實現“降維打擊”，同時實現集成電路和人工 智能領域的跨越式發展。

類腦計算為中國發展完全自主的高性能計算 芯片提供了嶄新的競爭平臺。構建類腦計算系統 是一項復雜的系統工程，涵蓋信息、計算機、集 成電路等多領域的科學和技術，其中，計算理論、 硬件和軟件都將迎來顛覆性革新。

從計算理論角度看，類腦計算從腦科學出發， 深入探索腦神經網絡的多層次復雜結構和高度可 塑性特點，在現有計算機架構的基礎上，引入空 間和時間復雜性，既保持了原有的計算機架構優 勢，又最大程度提升處理非結構化信息的能力。 同時，類腦計算還對以圖靈完備性為基礎的現代 計算理論進行更新和擴充，發展類腦完備性理論。

中國發展類腦計算基礎理論，可以從零開始構建 新的計算范式、計算架構和行業標準，扭轉中國 對信息技術標準制定缺乏影響力和話語權的被動 局面。

從硬件平臺來看，以類腦計算芯片作為硬件 核心，可以為仿真或模擬提供計算、存儲和通信 資源。構建海量類腦計算芯片的陣列集成系統， 是目前國際通行的大規模類腦計算系統的主流技 術路線。類腦計算硬件有著獨特的架構優勢和靈 活的實現方案，即使在相對落后的技術節點下， 也能實現高性能運算。新型納米和半導體技術的 發展，有望發展出超高能效和密度的類腦器件和 芯片。通過發展類腦計算硬件，中國可以構建擁 有完全自主知識產權的計算框架，打破我國研究 機構和企業發展高性能計算芯片長期需要從國外 購買知識產權的對外依賴局面。此外，類腦計算 還可以通過提高對腦科學的理解程度，促進腦機 接口技術的發展。

從系統軟件來看，由軟件層和編譯層組成的 配置工具鏈是類腦計算的軟件核心，是發揮硬件 易用性的重要保障。自主開發類腦計算軟件工具 鏈，將有助于改變中國發展高性能集成電路和信 息產業長期依賴國外底層軟件工具鏈的不利局面。

四、構建支持前沿技術創新的新型舉國體 制，有效推動類腦計算技術“鍛長板”

類腦計算是中國具備發展基礎、市場需求可 觀、戰略意義重大的顛覆性前沿技術，應有針對 性地構建新型舉國體制，在穩定支持科學研究和 技術開發的基礎上，加強自主知識產權布局，并 盡快推動成果轉化和商業化應用。

一是在新一批國家重大科技項目布局中進一步加大對類腦計算科技攻關的支持力度。

《“十四五”規劃和 2035 年遠景目標綱要》提出， 在類腦智能、量子信息等前沿科技和產業變革領 域，組織實施未來產業孵化與加速計劃，謀劃布 局一批未來產業。目前，中國在量子信息、腦科 學與類腦研究等科技前沿領域陸續啟動實施一批前瞻性、戰略性的國家重大科技項目，類腦計算 已被列入“腦科學與類腦研究”項目下屬子項。 從《“腦科學與類腦研究”重大項目 2020 年度項 目申報指南》的研究項目設置來看，在其部署的 56 項子課題中，與類腦計算直接相關的僅有 8 項。 應在未來的“腦科學與類腦研究”重大項目設置 中加大類腦計算領域的投入力度，并鼓勵不同技 術路線的探索。

二是成立類腦計算國家重點實驗室，為類腦

計算提供持續研發和不斷集聚高水平人才的平 臺。中國正在以促進前沿技術交叉融合為導向， 整合、重組國家重點實驗室體系。類腦計算是 后摩爾時代具有重大戰略意義的新型計算技術， 也是典型的多學科交叉前沿技術。應以此次國 家重點實驗室調整為契機，建立類腦計算國家 重點實驗室，加強學科建設，加快培養科學、工 程等相關人才。

三是建立多元投入機制，在有條件、有意愿 的區域布局，推動類腦計算技術盡快落地轉化。 引導“國家科技成果轉化引導基金”對類腦計 算成果轉化提供初始投資支持，在規模化應用 階段引入政策性金融和社會資本，加速面向市 場需求的類腦計算技術研發和產業化進程。對 接和鼓勵有意愿、有條件的地方政府，與類腦 計算領域技術領先的產學研機構進行合作。依 托國家發改 委“國家數字經濟創新發展試驗 區”、科技部“國家新一代人工智能創新發展試 驗區”、工信部“國家人工智能創新應用先導區” 等創新區域試點示范政策，加快類腦計算技術 的落地應用。

四是推動類腦計算自主知識產權布局。支持 相關研究機構和企業加快建立、完善類腦計算的 理論和工程基礎，形成自主專利池。引導相關主 體在類腦計算芯片和系統研發過程中發展獨立自 主的工具鏈和新型 EDA（電子設計自動化）工具， 逐步形成以中國類腦計算架構為標準的應用生態。

（作者系國務院發展研究中心創新發展研究部副研 究員）