世界首款！清华芯片突破再登自然杂志封面

​本文由半导体产业纵横（ID：ICVIEWS）综合

标志着中国在类脑计算和类脑感知方向取得重要突破。

近日，清华大学在类脑视觉感知芯片领域取得重要突破：

清华大学依托精密仪器系的类脑计算研究中心施路平教授团队，提出一种基于视觉原语的互补双通路类脑视觉感知新范式，研制出世界首款类脑互补视觉芯片“天眸芯”。基于该研究成果的论文《面向开放世界感知、具有互补通路的视觉芯片》（A Vision Chip with Complementary Pathways for Open-world Sensing）作为封面文章，登上5月30日的《自然》杂志。

这是该团队继异构融合类脑计算“天机芯”后第二次登上 《自然》 杂志封面，标志着中国在类脑计算和类脑感知方向取得重要突破。

2024年5月30日《自然》杂志封面。

随着人工智能的飞速发展，无人驾驶和具身智能等无人系统正在现实社会中不断推广应用，引领着新一轮科技革命和产业变革。在这些智能系统中，视觉感知作为获取信息的核心途径，发挥着至关重要的作用。然而，在复杂多变且不可预测的环境中，实现高效、精确且鲁棒（即在异常和危险情况下系统生存的能力）的视觉感知依然是一个艰巨的挑战。

在开放世界中，智能系统不仅要处理庞大的数据量，还需要应对各种极端事件，如驾驶中的突发危险、隧道口的剧烈光线变化和夜间强闪光干扰等。传统视觉感知芯片由于受到“功耗墙”和“带宽墙”的限制，在应对这些场景时往往面临失真、失效或高延迟的问题，严重影响了系统的稳定性和安全性。

为了克服这些挑战，清华大学精密仪器系类脑计算研究中心聚焦类脑视觉感知芯片技术，提出了一种基于视觉原语的互补双通路类脑视觉感知新范式。该范式借鉴了人类视觉系统的基本原理，将开放世界的视觉信息拆解为基于视觉原语的信息表示，并通过有机组合这些原语，模仿人视觉系统的特征，形成两条优势互补、信息完备的视觉感知通路。

类脑互补视觉感知芯片“天眸芯”

基于这一新范式，团队进一步研制出了世界首款类脑互补视觉芯片“天眸芯”，在极低的带宽（降低90%）和功耗代价下，实现了每秒10000帧的高速、10bit的高精度、130dB的高动态范围的视觉信息采集。

自动驾驶感知演示平台

它不仅突破了传统视觉感知范式的性能瓶颈，而且能够高效应对各种极端场景，确保系统的稳定性和安全性。基于“天眸芯”，团队还自主研发了高性能软件和算法，并在开放环境车载平台上进行了性能验证。在多种极端场景下，该系统实现了低延迟、高性能的实时感知推理，展现了其在智能无人系统领域的巨大应用潜力。

“天眸芯”的成功研制无疑是智能感知芯片领域的一个重大突破。它不仅为智能革命的发展提供了一个强大的技术支持，还为自动驾驶、具身智能等重要应用开辟了新的道路。结合团队在类脑计算芯片“天机芯”、类脑软件工具链和类脑机器人等方面已应用落地的技术积累，“天眸芯”的加入将进一步完善类脑智能生态，有力地推动人工通用智能的发展。

清华大学精密仪器系施路平教授和赵蓉教授为论文通讯作者，精密仪器系杨哲宇博士（现为北京灵汐科技有限公司研发经理）、精密仪器系2020级博士生王韬毅、林逸晗为论文共同第一作者。清华大学为论文第一单位，合作单位包括北京灵汐科技有限公司。

该研究得到了科技部科技创新2030“脑科学与类脑研究”重大项目和国家自然科学基金委的支持，也得到了清华大学/IDG-麦戈文脑科学研究院的支持。

清华大学同一天2篇Nature

此外，清华大学另一最新科研成果同时发表于《自然》（Nature）。

段路明团队在Nature 在线发表题为“A site-resolved two-dimensional quantum simulator with hundreds of trapped ions”的研究论文，该研究报道了512个离子在二维维格纳晶体中的稳定捕获和它们横向运动的边带冷却。

量子计算和量子模拟已经进入了一个数百量子位的时代，复杂的计算任务超出了当前经典计算机的能力。为了进一步扩展噪声中尺度量子(NISQ)器件在实际问题和经典难题上的应用，多体动力学的量子模拟和NISQ算法如量子退火和变分量子算法引起了广泛的研究兴趣。除了大量子位数之外，这些应用的一个关键要求是能够在单个射击中读出单个量子位状态，从而允许，例如，在量子动力学下测量量子位的空间相关性或评估优化问题中的多体目标函数。

作为领先的量子计算平台之一，离子阱已经在一维(1D)保罗阱中展示了高达61个量子位的量子模拟，并具有单个检测。为了进一步扩大量子比特数，一种可行的方法是将离子捕获在二维(2D)晶体中。到目前为止，已经报道了在多普勒冷却下含有多达150个离子的二维晶体，在双色调激光冷却下含有约50个离子，在电磁感应透明(EIT)冷却下含有约100个离子，并且在二维中也已经证明了在多达10个离子的情况下进行全局量子操纵和个体探测。

值得注意的是，二维微阱阵列也已在小尺度上实现，具有较大的间距和弱耦合强度，量子电荷耦合器件架构的二维结也已被实现为扩展系统的可行方法。相比之下，二维离子晶体在潘宁阱中是原生的，大约200个离子的量子模拟已经实现了。然而，由于离子晶体在Penning阱中的快速旋转，单个量子位态的检测仍然是一个实验挑战。尽管空间和时间分辨成像技术已被用于计算离子数，但Penning阱中量子模拟的观测结果仍然局限于全局。

实验装置和二维离子晶体（图源自Nature）

该研究报告了512个171Yb+离子的二维离子晶体的稳定捕获，其相关的横向模式(垂直于离子平面)EIT和边带冷却到每个模式低于一个声子。研究人员演示了远程量子Ising模型的量子模拟，具有可调谐的耦合强度和模式，有或没有挫折，使用300个离子。利用单次测量中的位置分辨率，在准绝热制备的基态中观察到丰富的空间相关模式，这使得人们可以通过将测量的双自旋相关与计算的集体声子模式以及经典模拟退火进行比较来验证量子模拟结果。进一步探讨了Ising模型在横向场中的猝灭动力学，以演示量子采样任务。该研究为模拟经典棘手的量子动力学和使用二维离子阱量子模拟器运行嘈杂的中等规模量子算法铺平了道路。

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