之江实验室与Science《科学》联合发布智能计算领域十大科学问题

“机器能思考吗？”1950年，图灵提出这一划时代的问题，在计算机科学和人工智能领域的影响延续至今。

当图灵提出这一问题时，他或许不会想到，2016年，人工智能机器人AlphaGo战胜围棋世界冠军，令世界瞩目；2021年，一个名为AlphaFold2的人工智能工具成功预测出98.5% 的人类蛋白质结构，为生命科学领域带来颠覆性变革。一个全新的数字文明时代正徐徐走来。

新的时代也伴随着新的问题。计算速度受到冯诺伊曼结构的制约，计算方法面临海量数据挑战，算力供给受能源消耗的制约，计算的使用受到接入方式的限制……智能和计算的想象空间尚未被人类充分打开，还有诸多问题等着我们理顺和解决。

在此，之江实验室与Science携手，联合来自全球的专家学者，提出对于未来智能计算研究具有重大意义的十大科学问题，并于今日开幕的第二届智能计算创新论坛上正式发布。

我们希望，就像伟大的科学先驱提出影响深远的问题一样，智能计算领域十个重大科学问题的提出，能够为智能计算领域的科学研究提供一些指引，为探索智能计算的知识边界、挖掘智能计算的更深潜能带来新的启迪。我们更期待，与所有科学界同仁共同努力，携手推动问题突破和技术进步，为人类迈向数字文明时代搭建坚实的阶梯，也为智能计算在科学研究、产业发展、社会治理等领域的广泛应用拉开序幕。

智能计算领域十大科学问题

1、如何定义智能，如何建立智能计算的评价和标准体系?

广义地说，智能是分析输入的数据并对其做出适当反应的能力。许多人说，一个真正的智能系统应该能够适应它的环境——进行学习、推理和进化。然而，如何知道这种定义是否适用于任何给定的系统呢?

一个系统是否智能的传统评估方法是图灵测试——人能否分辨出这个系统是人类还是计算机？还有一些较弱的指标，比如判断系统是否准确地执行了指定的任务，或者是否可以在训练过的数据之外进行泛化。评价的规则应取决于考虑了公平和透明度的更广泛的社会背景。

是否可以建立一个智能计算的标准体系仍然是一个开放的问题，因为甚至没有一个普遍认可的度量标准来进行讨论。与一个系统相关的规则可能与为另一个系统建立的规则发生冲突，建立该系统的基础可能会发生变化。

2、模拟计算是否存在统一的理论模型？

模拟计算用硬件来模拟算法，测量如电压、光强等连续信号。它在解决特定问题上具有耗能低、运算效率高的优势。但很多年前，随着数字计算的出现(计数取代了测量)，模拟计算就不再受欢迎了，部分原因是当时很难扩大其规模，也很难验证模拟系统。

然而，由于模拟计算能够模拟生物网络的组成部分，如突触和神经元，模拟计算已经开始了复兴。不同的算法和平台已经发展起来，都试图在模拟领域建立更有效的测量方法。

但是，目前使用多种物理载体和计算方法进行仿真和计算是一种不完善的实践。它需要一个统一的理论模型，以促进其标准化和大规模应用。

3、计算领域的重大创新将从何而来，量子计算的计算能力是否会接近人脑的计算能力？

硬件和软件的联合设计和共同进化很可能成为重大计算进步背后的驱动力。创新来自各个层面：我们几乎每年都能看到具有独特性能的新兴设备取得突破。这些创新驱动着它们集成到电路中，分级系统中以及被部署的算法和应用中，同时，如何进行集成也在驱动着创新。

一些新设备可能对传统计算没有用处，但可能使神经网络变得高效，而新的计算模型可能需要非传统的硬件支持。例如,需要新的架构来模拟星形胶质细胞的行为。星形胶质细胞被发现在认知中起着重要作用，与神经元有很大的不同。

量子计算机的操作方式与通用计算机不同。它们的发展仍处于早期阶段——目前它们主要用于大数分解等领域，如加密。他们是否有朝一日能够模拟认知计算，甚至人脑的情感能力，目前仍是一个热门的研究问题。

4、哪些新器件将被制造（晶体管、芯片设计和硬件范式:光子学、自旋电子学、生物分子、碳纳米管）？

在纳米尺度上，这些器件已经存在，或者正在被积极研究，而且有可能进一步扩大规模。关键是让它们变得更好，并更好地利用它们。

例如，有许多器件是基本的电阻，它们可以被编译成电平，这些电平被存储和传输。各种各样的技术——电子学、光子学等——都可以表现出非常相似的行为。这些行为很像大脑中的突触，因为信号可以被传输、放大或衰减，并且激发的信号可以被整合起来，产生突触波形。这将成为通用设备的基础。

一个问题是如何结合多个物理维度（如波长和偏振模式）来开发相应的光电互连器件。功率、性能、面积和成本问题需要被解决，以扩大技术规模并使其逐步发展。

5、智能计算如何使智能机器成为可能？

专业术语“机器”是“计算”的基本概念。一台机器，无论智能与否，主要有三个组成部分:一个收集外部激励（数据）的传感器，一个存储传感器收集来的信息的存储器，以及一个从存储器收集数据并对其进行推理，采取行动或发送信号的逻辑单元。

智能机器将进行智能计算。接下来的问题是，我们是否可以创建一个智能计算范式。

6、如何基于数字孪生脑理解记忆存储与提取？

记忆存储和检索的时空动力学机制表明了记忆的高度可控性，为修复记忆的损伤带来新希望。然而，脑网络协同性和动态性阻碍了对记忆复杂属性的探索。

研究人员已经创建了不同器官的数字孪生体，包括大脑在内。为研究阿尔茨海默病和癫痫等疾病，研究人员建模和仿真了它们的多尺度结构和功能。虽然这些仿真被认为比模拟人的记忆要简单得多，但它们确实证明了一个概念。数字孪生脑将使研究人员突破现有记忆、以及其病理和调制的研究的时空尺度和准确性的限制。

记忆是感觉、情感、观念和运动之间的联系。因此，即使我们成功复制了整个大脑，我们也不能忽视这些联系。

7、硅基计算和碳基计算最高效的融合途径是什么？

现代计算机是20世纪最重要的创新之一，依托硅基芯片应运而生，运行速度快且计算准确。目前，我们通过如键盘和屏幕的人机交互（MMI）完成计算机操作。MMI是硅基和碳基计算融合的最初阶段。

如今，硅基计算开始逐渐到达物理极限，且需消耗大量电能但却缺乏智能。而与此同时，生物大脑是碳基计算的一种高级形式，聪明智能，且具备适应能力强和效能高等特点。相较之下，其缺点是计算速度较缓，准确度较低。我们需要一种融合硅基、碳基计算的计算新范式。

至少有三条途径可以实现该种计算融合。第一条路径是脑启发的硅基计算：我们可以通过制造不同种类的硅基芯片来模仿大脑的工作机理。我们所要做的是更全面、更深入地了解人类和动物的大脑。第二条路径是制造硅基和碳基组件相融合的新型计算芯片。我们所要做的是为该种新型计算芯片上碳基单元的生产、控制和演变，创造与研发新的革命性技术。第三条路径是将人与计算机更紧密、更有效地连接起来——人和机器可以实时、同步、无缝地协同计算与思考。我们需要创造先进的脑机接口（BMI）和其他类型的新型MMI。

总而言之，在硅基碳基计算融合的领域，我们需要更全面、更深入的探索与研究才能找到最有效的实施途径。

8、如何构建可解释和高效的AI算法？

具有可解释性的高效人工智能（AI）算法一直是人们追求的目标。张量网络等新的数学方法，以及专家知识、逻辑推理和自主学习的有效整合，能否解决人工智能技术中可解释性与效率的困境？这种整合是否会打破现有深度学习作为“黑箱算法”的现状，建立可用于不同领域、不同场景（语音、图像、视频、数字孪生、元宇宙等）的新一代可解释方法体系？

9、能否实现具备自学习、可演化、自反思特征的强智能计算？

智能计算的目标是在人机物三元融合空间中，高效自主地解决大规模复杂问题。使用弱智能的方法能在一定程度上获得此类问题的良好结果，但本质上，其严重依赖人工预设的物理符号系统、神经网络模型、行为规则集合等人类先验知识的定制化输入。

强智能计算可以根据输入和环境而动态变化。在不同的背景中，系统具有自学习能力可以避免重复输出先前的内部状态，具有可演化能力可以自适应地改进系统的架构模式，具有自反思能力可以根据历史任务求解的经验扩展模型的泛化性。因此，研究更高阶复杂度的计算理论，探索解决重大的科学难题的自动化方法构造范式，让计算机自主进行任务理解和分解、动态优化路径构建、内核模型演化发展，是未来智能计算的重大科学挑战之一。

10、如何利用真实世界数据发现和归纳知识？

在计算领域有一个重要的争论，即机器学习是否能真正概括，或只是以更有效的方式简单重申已知的东西。能够识别测试集中的对象或标签可能是有争议的，无非是说这个对象与最初用来定义它的对象具有足够多的共同特征。

因此，智能计算需要以主动的、启发式的、开放的智能形式完成原本由人预定义逻辑执行的计算任务，同时，这一计算的效果需要在真实世界中得到验证。知识发现是知识驱动应用的前提，也是人工智能强弱区分的重要指标。真实世界数据的知识发现问题是智能计算要解决的重大科学问题。在开放世界的计算中主动式、启发式的感知异常、发现规律、归纳知识，通过有限状态机解决逻辑执行程序的局限性，是智能计算的重要任务和里程碑事件。

来源：之江实验室