认知基础课件14认知模拟.pptx

1、认认知基知基础础C Co og gn nitiveitive F Fo ou un nd dationation第第十四十四章章认认知模知模拟拟Cognitive Simulation2021/5/3012021/5/30认知基础：认知模拟2内内容容提要提要概述概述兰兰脑计脑计划划人人类类大大脑脑计计划划美美国国BRABRAI IN N计计划划SPAUSPAUN N系系统统中中国国脑计脑计划划神神经经形形态态芯芯片片脑脑机融机融合合计计算算时时代代2021/5/303 认知基础：认知模拟2021/5/30认知基础：认知模拟4计计算算时时代代1941946 6 E EN NI IACAC宾宾夕夕

2、法尼法尼亚亚大大学学1975 Popular Electronics大众电子学认认知知计计算算2021/5/305 认知基础：认知模拟认知计算的目的是发展一个连贯的，统一的，普遍的机制，灵感来自大脑的能力。IBM，2011年它是基于神经形态结构的计算，探索各种过程，包括感觉、感知、行动、情感和认知。智能智能时时代代认知基础：认知模拟2021/5/306人类从磨擦起火把机械能转变为热能,瓦特发明蒸汽机,又 把热能转变为机械能，这是人类历史上两次最伟大的创 举,创造了人类前文明史。智能革命将开创人类后文明史。与能量革命实现能量的转换与利用不同，智能革命实现智能的转换与利用，即人把自己的智能赋予机器

3、，智 能机把人的智能转换为机器智能，并放大人的智能；人 又把机器智能转换为人的智能，加以利用。如果说蒸汽 机魔术般地创造了工业社会，那么智能机也一定能奇迹 般地创造出智能社会智智能能革革命命的的突突破破口口认知基础：认知模拟2021/5/30721世纪是智能革命的世纪，我们正沿着信息高速公路迈 向智能时代的入口处。以智能科学技术为核心、生命科 学为主导的高科技，将掀起一次新的高科技革命-智能 技术革命。特别是智能技术、生物技术与纳米技术相结 合，研制具有生物特征的智能机，将是21世纪高技术革 命的突破口。2021/5/30认知基础：认知模拟8经过60多年的发展，计算机的运 算速度达到几百万亿次

4、，但是其 智能水平极为低下。研究机器的 高性能与人的高智能相结合，成 为探索信息处理的高效能的有效 途径。开展类脑计算机的研究并 取得突破性进展，将对我国经济 和社会可持续发展，国家安全和 国防建设，信息产业的提升等带 来重要的推动作用。Cite fromScientific American，2005（3）重大重大挑挑战战通用通用人人工智能工智能认知基础：认知模拟2021/5/309通用人工智能（Artificial General Intelligence，AGI）是具有一般人类智慧，可以执行人类能够执行的任 何智力任务的机器智能。通用人工智能必须具有的：自动推理，使用一些策略来解决问题，

5、在不确定性的环境中作出决策知识表示，包括常识知识库自动规划学习使用自然语言进行沟通协同完成同一个目标通用通用人人工智能工智能Ben Goertzel，美国通用人工智能会议主席，奇点大学顾问、Humanity+世界超人协会 副主席、财务预测公司 Aidyia Holdings 首席科学家、机器人公司 Hanson Robotics 首席科学家、人工智能软件公司 Novamente LLC 公司董事长、OpenCog 基金会董事长，厦门大学福建省仿脑智能系统重点实验室客 座教授，2007年，著作“Artificial general intelligence”全面介绍了如何构 造一个全面的思考机器

6、，对通用人工智能提 出了很多思考和待解决问题。认知基础：认知模拟2021/5/3010 通用通用人人工智能工智能认知基础：认知模拟2021/5/30112015年，奥尔特曼和埃隆马斯克创建OpenAI，目标是 开发通用人工智能谷歌AI负责人Jeff Dean近日接受连线专访，透露谷 歌正在尝试构建具有通用智能、而非高度专业化智能的 系统。通用人工智能/强人工智能虽说是人工智能研究的最终目 标，可是就现状来看，弱人工智能仍是研究发展的重点。通用人工智能的实现，离不开机器与意识、感性、知 识和自觉等人类特征的连结，目前还有很长的路要走。分子分子神神经计经计算机算机分子神经计算机的体系结构认知基础：

7、认知模拟2021/5/3012内内容容提要提要认知基础：认知模拟2021/5/3013 概述概述 兰兰脑计脑计划划 人人类类大大脑脑计计划划美美国国BRABRAI IN N计计划划SPAUSPAUN N系系统统 中中国国脑计脑计划划 神神经经形形态态芯芯片片 脑脑机融机融合合 IBM类脑计算机研究认知基础：认知模拟2021/5/30142005年6月19日报道，瑞士洛桑洛桑联邦理工学院(EPFL）的脑心智研究所的Henry Markram和IBM公司联合开展蓝脑 计划研究。ACM通讯2009年2月份报道，IBM 从DARPA得到490万美 元的资助，研制类脑计算机。与IBM Almaden研究

8、中心和 IBM T.J.Wason研究中心一起,斯坦福大学，威斯康辛-麦 迪逊大学，康奈尔大学，哥伦比亚大学医学中心和加利福 尼亚Merced大学都参加该项计划。去年Modha领导的IBM团 队使用蓝色基因巨型计算机，模拟具有5500万神经元和 5000亿个突触的老鼠大脑。蓝蓝色色基基因因/L/L体系体系结结构构认知基础：认知模拟2021/5/3015蓝蓝色色基基因因/L/L软软件件用户应用程序以独占方式在计算 节点中执行避免异步事件（如守护进程、中断）外部世界只与I/O节点（离线引擎）交互标准解决方案：Linux机器监视和控制也卸载到服务节 点：大型SP系统或Linux群集。认知基础：认知模

9、拟2021/5/3016IBM类脑研究超功能柱小功能柱RSNP细胞篮细胞锥形细胞认知基础：认知模拟2021/5/3017IBM蓝脑计划采用功能柱：锥形细胞、篮细胞、RSNP细胞、小功能柱、大功能柱脑脑皮皮层层Cortical Layers认知基础：认知模拟2021/5/3018内内容容提要提要认知基础：认知模拟2021/5/3019 概述概述 兰兰脑计脑计划划 人人类类大大脑脑计计划划美美国国BRABRAI IN N计计划划SPAUSPAUN N系系统统 中中国国脑计脑计划划 神神经经形形态态芯芯片片 脑脑机融机融合合 人人类类大大脑计脑计划划Human Brain ProjectHenry

10、Markram欧盟委员会于2013年1月28日宣布，人 类大脑计划入选“未来新兴旗舰技术项 目”，并分别设立专项研发计划。该计 划将在未来10年内分别获10亿欧元的研 发经费。计划规模大到结合80个世界顶 尖研究单位跨领域的200名学者，一同 解读超过上兆个脑神经联结的人类情感、意识与思维。而这些复杂的运算，将 透过超级计算机多段多层的模拟来实现。认知基础：认知模拟2021/5/3020人类大脑计划Human Brain Project Henry Markram蓝脑模拟 认知基础：认知模拟2021/5/3021人类大脑计划Human Brain Project 人脑计划的路线图 认知基础：认

11、知模拟2021/5/3022人类大脑计划Human Brain Project2021/5/3023 认知基础：认知模拟内内容容提要提要认知基础：认知模拟2021/5/3024 概述概述 兰兰脑计脑计划划 人人类类大大脑脑计计划划美美国国BRABRAI IN N计计划划SPAUSPAUN N系系统统 中中国国脑计脑计划划 神神经经形形态态芯芯片片 脑脑机融机融合合 运用先进创新型神经技术的大脑研究(BRAIN)认知基础：认知模拟2021/5/3025美国总统奥巴马于2013年4月2日宣布BRAIN(Brain ResearchthroughAdvancing Innovative Neurot

12、echnologies）重大计划，将从2014财年的政府预算 中拿出1亿美元，用于进行一项旨在揭开人类大脑未解之谜 的研究计划，希望找出治疗阿尔茨海默氏症(又叫老年痴呆 症)等与大脑有关疾病的方法。此计划将利用新技术解析脑细胞及神经的运作，了解脑部 神秘一面，目的是帮助研究人员找到治疗、治愈甚至预防 老年痴呆、癫痫和创伤性脑损伤等脑部疾病的新方法。有 分析称，该项目也可能对伦理、法律、社会等问题提供一 些认知突破。U USA:SA:B BRARAI IN N 计计划划2014年，美国国立卫 生研究院（NIH）在 2013年美国总统奥巴 马（Barack Obama）宣布的重大神经科学 研究计划

13、BRAIN的基础 上，提出了一项十年 计划。该计划建议的 10年，预算为45亿美 元。2021/5/30 认知基础：认知模拟26解决解决神神经经科学科学的的基本基本问题问题2021/5/30 认知基础：认知模拟27内内容容提要提要认知基础：认知模拟2021/5/3028 概述概述 兰兰脑计脑计划划 人人类类大大脑脑计计划划美美国国BRABRAI IN N计计划划SPAUSPAUN N系系统统 中中国国脑计脑计划划 神神经经形形态态芯芯片片 脑脑机融机融合合 5)Pf2iun0k2ner1,c/S5tet/3vieo0n,n19i9n7,gHowbthreaMiinnd W.oSrks,cW史i

14、.eW忠.n植Nocrteo认n,知N3e基w3Y础8or，：k,N认Y2知,p0p模.211拟.2.29加拿加拿大大SPAUN系系统统 Science2012年11月30日刊登文章，介绍加拿 大滑铁卢大学克里斯伊莱亚史密斯领导的研究团 队研制的人工脑语义指向结构统一网络Spaun。Spaun由250万个神经元构成，模拟一系列颅内子系 统，包括前额大脑皮层、基底核和丘脑等。Spaun可 以执行从临摹绘画到计数、回答问题以及流畅推理 等八类不同的任务。Eliasmith,C.,Stewart T.C.,Choo X.,Bekolay T.,DeWolfT.,Tang Y.,Rasmussen,D

15、.A large-scale model of the加拿加拿大大SPAUN系系统统认知基础：认知模拟2021/5/3030加拿加拿大大SPAUN系系统统认知基础：认知模拟2021/5/3031内内容容提要提要认知基础：认知模拟2021/5/3032 概述概述 兰兰脑计脑计划划 人人类类大大脑脑计计划划美美国国BRABRAI IN N计计划划SPAUSPAUN N系系统统 中中国国脑计脑计划划 神神经经形形态态芯芯片片 脑脑机融机融合合 中国中国脑脑科学和科学和类类脑脑研究研究认知基础：认知模拟2021/5/3033蒲慕明说，脑科学和类脑研究的全球性热潮反映了科学界 和各国政府的三点共识：1

16、1、脑科学是人类理解自然界现象和人类本身的终极疆域，是本世纪最重要的前沿学科之一；2、脑疾病所带来的社会经济负担已超过心血管病和癌症，脑科学的发展对脑疾病的诊断治疗将有关键性的贡献；3 3、计算机技术和人工智能发展至今已面临瓶颈，对人脑认 知神经机制的理解可能为新一代人工智能算法和器件的研 发带来新启发。中国中国脑脑科学和科学和类类脑脑研究研究2021/5/30 认知基础：认知模拟34中国脑计划提出了“一体两翼”的布局建议：即以 研究脑认知的神经原理为“主体”，研发脑重大疾 病诊治新手段和脑机智能新技术为“两翼”。目标是在未来十五年内，在脑科学、脑疾病早期诊 断与干预、类脑智能器件三个前沿领域

17、，取得国际领先的成果。中国中国脑脑科学和科学和类类脑脑研究研究2021/5/30 认知基础：认知模拟 35中国中国脑脑科学和科学和类类脑脑研究研究2021/5/30 认知基础：认知模拟36目前科学家已利用小鼠等模型，部分理解了人认知 外部世界的神经网络机制。未来一二十年内，对小鼠神经网络的研究将大致完 成。其后，以非人灵长类动物为模型研究人类高等 认知功能，如思考、自我意识、共情以及语言等，这是中国必须抓住的机会。中国中国脑脑科学和科学和类类脑脑研究研究2021/5/30 认知基础：认知模拟37基于“中国脑计划”布局，北京和上海均已启动“脑科学与类脑智能”地区性计划，开始资助相关研 究项目。中

18、科院于2018年初成立包含20院所80个精 英实验室的脑科学和智能技术卓越创新中心，由蒲 慕明担任中心主任，各高校也纷纷成立类脑智能研 究中心。目前科学家已利用小鼠等模型，部分理解 了人认知外部世界的神经网络机制。北京北京脑脑科学与科学与类类脑脑研究研究中中心心2021/5/30 认知基础：认知模拟382018年3月22日，北京脑科学与类脑研究中心在北 京成立,建立智源研究院。北京脑科学与类脑研究中心将围绕国家脑科学计划“一体两翼三大需求”的重点研究方向，结合北京 的工作基础和优势特色，通过机制体制创新，汇聚 和培养一批国际顶尖专家团队，服务国家战略需求，推进脑科学领域高水平研究创新，产出一批

19、“领 跑型”原始创新成果，实现基础研究、应用研究、成果转化、产业化等环节的有机链接，将北京中心 建成世界一流的脑科学研究机构，上海上海脑脑科学与科学与类类脑脑研究研究中中心心2021/5/30 认知基础：认知模拟392018年5月14日下午，上海脑科学与类脑研究中心揭 牌仪式在张江实验室举行。充分发挥多学科交叉与协同攻关的优势，在最前沿进行开创性、引领性研究，力争产出世 界级成果；引进培养全球最顶尖的科学家团队，将中心打造成为具有全球影响力的脑科学与类脑研究高地；大力弘扬科学精神和专业主义，培育让创新竞相 迸发的沃土。内内容容提要提要认知基础：认知模拟2021/5/3040 概述概述 兰兰脑计

20、脑计划划 人人类类大大脑脑计计划划美美国国BRABRAI IN N计计划划SPAUSPAUN N系系统统 中中国国脑计脑计划划 神神经经形形态态芯芯片片 脑脑机融机融合合 神神经经形形态态芯片芯片计算机的“冯诺依曼架构”与“人脑架构”的 本质结构区别是与计算机相比，人脑的信息存储 和处理，通过突触这一基本单元来实现，因而没 有明显的界限。正是人脑中的千万亿个突触的可 塑性各种因素和各种条件经过一定的时间作 用后引起的神经变化（可变性、可修饰性等），使得人脑的记忆和学习功能得以实现。认知基础：认知模拟2021/5/3041神神经经形形态态芯芯片片定定义义1990 年，加州理工学院名誉教授米德（M

21、ead C）给出了神经形态芯片的定义“模拟芯片不 同于只有二进制结果（开/关）的数字芯片，可以像现实世界一样得出各种不同的结果，可以模 拟人脑神经元和突触的电子活动。”然而，米德本人并没有完成模拟芯片的设计。认知基础：认知模拟2021/5/3042I IB BM M神神经经形形态态芯片芯片 IBM公司在1956年创建第一台人脑模拟器（512 个神经 元）以来，就一直在从事对类脑计算机的研究，模仿了 突触的线路组成、基于庞大的类神经系统群开发神经形 态芯片也就自然而然地进入了其视野。其中，IBM第一代 神经突触（neurosynaptic）芯片用于“认知计算机”的 开发。尽管“认知计算机”无法像

22、传统计算机一样进行 编程，但可以通过积累经验进行学习，发现事物之间的 相互联系，模拟大脑结构和突触可塑性。认知基础：认知模拟2021/5/3043I IB BM M神神经经形形态态芯片芯片 2008年，在美国国防高级研究计划局（DARPA）的资助下，IBM的“自适应可变神经可塑可扩展电子设备系统”项 目（SyNAPSE）第二阶段项目则致力于创造既能同时处 理多源信息又能根据环境不断自我更新的系统，实现神 经系统的学习性和可塑性、容错、免编程、低能耗等特 征。项目负责人莫得哈(Modha D)认为，神经芯片将是计 算机进化史上的又一座里程碑。认知基础：认知模拟2021/5/3044I IB BM

23、 M神神经经形形态态芯片芯片 2014年8月8日，IBM在Science刊物上公布仿人脑功 能的芯片307，能够模拟人脑神经元、突触功能以及其他 脑功能，从而完成计算功能，这是模拟人脑芯片领域所 取得的又一大进展。IBM表示，这款名为TrueNorth的微 芯片擅长完成模式识别和物体分类等繁琐任务，而且功 耗还远低于传统硬件。IBM使用软件生态系统将众所周知的算法，例如，卷积网 络，液态机器、受限玻尔兹曼机、隐马尔可夫模型、支 持向量机、光学流量、多模态分类通过离线学习加到系 统结构中。现在这些算法在TrueNorth中运行无需改变。认知基础：认知模拟2021/5/3045IBM神神经经形形态

24、态芯片芯片神经科学启发认知基础：认知模拟2021/5/3046结构功能物体结 构芯 片多 片调度器 控制器路由器存储神经元百万晶体管核网格分裂/复合I/O环芯片芯片互联典型皮质微电路寒武寒武纪纪芯片芯片2015年，在中科院战略性先导专项和中科院计算所的支持下，寒武纪芯片首次成功流片。2016年，寒武纪科技于北京中 关村和上海临港注册成立，成立伊始就成为中国身价最高的智能芯片创业公司，得到了各级政府的大力扶持和关怀，这 一年里，寒武纪科技还面向产业界发布了全球首款商用深度 学习处理器IP产品寒武纪1A，面向学术界发布了全球首个智 能指令集寒武纪指令集Cambricon ISA。2017年，集成了

25、寒 武纪技术的华为Kirin970手机芯片和mate10手机全球发布，实测结果表明寒武纪科技与华为的联合研发成果在图片识别 速度上超越了搭载A11芯片的iPhone X。认知基础：认知模拟2021/5/3047寒武寒武纪纪芯片芯片传统计算架构在神经网络处理方面有所欠缺。目前深度学习的基本 操作是神经元和突触的处理，传 统的处理器指令集（包括 x86 和 ARM 等）是为了进行通用计算发展起来的，其基本操作为算术操 作（加减乘除）和逻辑操作（与或非），往往需要数百甚至上千条指令才能完成一个神经元的处理，深度学习的处理效率不高。中科寒武纪 NPU 专为神经网络处理定制，提供高性能功耗比解决方案，赋

26、能移动端 AI 芯片。中 科寒武纪是全球智能芯片领域的先行 者，宗旨是打造各类智能云服务器、智能终端以及智能机器人 的核 心处理器芯片。2016 年推出的寒武纪 1A 处理器（Cambricon-1A）是世界首款商用深度学习 专用处理器，面向智能手机、安防监控、可穿戴设备、无人机和智能驾驶等各类终端设备，在运行 主流智能 算法时性能功耗比全面超越 CPU 和 GPU。认知基础：认知模拟2021/5/3048内内容容提要提要认知基础：认知模拟2021/5/3049 概述概述 兰兰脑计脑计划划 人人类类大大脑脑计计划划美美国国BRABRAI IN N计计划划SPAUSPAUN N系系统统 中中国国

27、脑计脑计划划 神神经经形形态态芯芯片片 脑脑机融机融合合 脑脑机机融融合合理解处理感知执行感知执行理解处理脑脑机接口机接口理解处理感知执行复合智能体复合智能体认知基础：认知模拟2021/5/3059脑机融合（Brain-Machine Integration）是一种综合利用生物智能 和机器智能的新型智能系统。脑机融合是脑机接口技术发展的必然趋势。在脑机融合系统中，大脑与大脑、大脑与机器之间不仅是信号层面上的脑机互通，更需实现大脑的认知能力与机器的计算能力的融合。Integration脑脑机融合机融合InteractionInterface脑脑机机接接口的口的发发展展2021/5/3051脑脑机

28、机接接口口脑机接口（brain-computer interface，简称BCI；有时 也称作brain-machine interface 或者direct neural interface），是在人或动物脑与外部设备间创建的直接 连接通路。不依赖于脑的正常输出通路(外周神经系统及肌肉组织)的脑-机(计算机或其它装置)通讯系统。认知基础：认知模拟2021/5/3052脑脑机机接接口口鼠猴1999 Nat 2000Neurosci Nature2004Science2011Nature2008 NatNeurosci/Nature2006NatureScience2002nature2012N

29、ature2002人认知基础：认知模拟2021/5/30532021/5/30认知基础精精：密密认知机机模拟械械54反反馈馈控制控制微微电电极极无无线线通通讯讯MEMS神神经经科科学学模式模式识别识别信号信号处处理理控制控制规规划划重要重要的的研究研究领领域域脑脑机机融融合合系系统统特特征征认知基础：认知模拟2021/5/3055对生物体的感知更加全面，包含表观行为理解与神经信 号解码；生物体也作为系统的感知体、计算体和执行体，且与系 统其他部分的信息交互通道为双向；多层次、多粒度的综合利用生物体和机器的能力，达到系统智能的极大增强。9 97 73 3脑脑机融合机融合的的感知感知与与认认知知计

30、计算理算理论论和方和方法法科学问题一科学问题二科学 问题三一、脑信息表征 及编解码研究感知-运动整合 的脑信息表征发展脑信息编解码的机器学习方法二、脑机协同的 认知计算研究脑机协同的认 知模型建立混合智能的计 算模型与层次体系 结构三、互适应与运 动功能重建四、实验平台与应用验证建立相应计算平台 和动物实验平台以猴子意念控制机 械手、大鼠机器人 可控导航作验证研究脑机互适应学 习机理感知觉智能增强方 法及运动功能重建 技术认知基础：认知模拟2021/5/3056脑脑机机融融合的合的协协同同认认知知认知基础：认知模拟2021/5/3057脑机协同的环境感知：利用环境信息分析中的判别式、生成式等方

31、法，分析环境感知信息的特征，挖掘感知信 息的模式和知识，生成高层语义，有效理解环境感知的 内容。脑机协同的认知建模：结合脑机交互认知的特点，利用智能科学中有关意识、记忆研究取得的成果，研究脑机 协同信息处理过程的认知周期。脑脑机机融融合的合的协协同同认认知知认知基础：认知模拟2021/5/3058动机驱动的联合意图。脑机协同工作的本质特征是智能 体有共同的目标、承诺、意图等联合约束，为了表示脑 机系统所应当具有的特性，研究联合意图理论描述多个 自治的智能体间的联合约束；针对脑与机器协同工作的 需要，研究行为动机的本质及其产生的机制，提出动机 驱动的联合意图。脑机协同的动作规划。在本体知识系统的

32、支持下，研究 脑机协同的动作规划方法；利用强化学习和马尔科夫决策理论，研究部分感知情况下的规划方法，提出具有学 习能力的动作规划理论和优化策略。脑机融合的认知模型ABGPmodelCAMmodel认知基础：认知模拟2021/5/3059通过CAM模型描述生物脑，智能体模型刻画机器智能单元，解决生物脑与机器异构协同工作，提出脑机协同的认知计算 模型。在机器意识的协调控制下，实现脑机协同工作。A ABGPBGP 模型模型我们提出了智能体ABGP模型，其中，A表示环境感知，B表示信念，G表示 目标，P表示规划。在脑机融合系统中，每个单元基于内部的心智状态，通过BDI推理机，进行多智能体协同工作；同时

33、要通过与外界环境交互，感知外部环境的单元和行为，适应环境的动态变化，更好实现协同工作。马马斯克斯克 N Ne eu uraral li in nk k2017年3月28日，SpaceX和特 斯拉首席执行官埃隆马斯克（Elon Musk）创建了Neuralink Corp的脑-机接口公司，该公司 致力于开发神经植入物。它是生 物智能和数字智能的更紧密结合。Neuralink将开发马斯克称之为“神经蕾丝”的技术，在人脑中植入细小的电极，实现脑机接口。认知基础：认知模拟2021/5/3061loomberg思考思考题题认知基础：认知模拟2021/5/306214-1 什么是认知模拟？14-2 为什么说图灵机是一种理论计算模型?14-3 请阐述细胞自动机的工作原理。14-4 蓝脑计算机怎样模拟大脑皮层的基本单元？14-5 请阐述欧盟人脑计划的路线图。14-6 试述人脑模拟系统SPAUN的基本结构，概要介绍各个模块的主要功能。Thank You认知基础：认知模拟2021/5/3063