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   來源： 科技日報作者： 何屹 毛黎

   今日視點

    8月18日，藍色巨人IBM公布了一個令人振奮的消息。他們通過模擬大腦結(jié)構(gòu)，首次成功構(gòu)建出兩個具有感知認知能力的硅芯片原型，可以像大腦一樣具有學(xué)習(xí)和處理信息的能力。IBM公司領(lǐng)導(dǎo)該研究項目的負責(zé)人德哈門德拉•莫德哈表示，這兩個計算機芯片結(jié)合了神經(jīng)元的計算能力、突觸（或神經(jīng)節(jié)）的記憶能力和軸突的通信能力，基于這樣的芯片，新一代計算機即將閃亮登場。

    依靠軟件來實現(xiàn)人工智能的計算機智商太低

    自從計算機誕生以來，人類就憧憬著有朝一日，計算機能像人類大腦一樣，會學(xué)習(xí)、懂交流、能感知、可互動，成為真正具有人工智能的電腦。

    這樣的想法說來很好，但做起來卻非常的難。一種思路是通過編制各種各樣復(fù)雜的軟件來實現(xiàn)人工智能。比如現(xiàn)如今大家使用的搜索引擎，就編制了復(fù)雜的計算機軟件，可以依據(jù)過去發(fā)生的事件，初步預(yù)測一些特定的人類行為。再如智能手機，只要輸入幾個字母，就可以“推測”出你到底想要輸入什么字詞。但這都只是對大腦功能的簡單模仿，用計算機專家的話來說，這些計算機的智商還沒有達到人類嬰兒的水平。

    利用軟件實現(xiàn)人工智能還有一個更大的局限，就是受限于計算機的結(jié)構(gòu)。現(xiàn)代計算機是以馮•諾依曼架構(gòu)為基礎(chǔ)，其內(nèi)存和處理器分開，以總線作為數(shù)據(jù)通道。雖然當(dāng)今計算機的速度日新月異，但內(nèi)存與處理器之間的數(shù)據(jù)交互傳輸依然受限于總線的能力，這又被計算機科學(xué)家稱為“馮•諾依曼瓶頸”。現(xiàn)代計算機的優(yōu)點是善于解決數(shù)學(xué)問題和串行處理；缺點是無法處理大型問題，能耗高且編程困難。

   在征服人工智能這座險峰的過程中，一些科學(xué)家認識到，計算機能解決什么問題并不重要，重要的是計算機如何處理問題。人腦之所以強大，在于其有近千億個神經(jīng)元和10多萬億神經(jīng)突觸，信號可以傳向四面八方。大腦神經(jīng)元可同時工作，并行處理。

   模仿大腦構(gòu)建智能計算機的曲折挑戰(zhàn)

   IBM的想法就是試圖模仿大腦結(jié)構(gòu)來構(gòu)建新的計算機芯片。事實證明，這樣的一條路依然不是坦途。以IBM在計算機領(lǐng)域縱橫60余載的能力和經(jīng)驗，完成本次一代類腦芯片原型，就動用了6個實驗室，聯(lián)合了來自康奈爾大學(xué)、威斯康星大學(xué)、加州大學(xué)、哥倫比亞大學(xué)和政府研究機構(gòu)的上百位研究人員。不算IBM的投入，僅美國國防部高級研究計劃局就資助了4100萬美元的研究經(jīng)費。即使這樣，該研究也歷時6年，耗費人工高達數(shù)百萬小時。

    要想讓計算機像大腦一樣工作，不僅是技術(shù)上的挑戰(zhàn)，生理上的挑戰(zhàn)，也是對腦科學(xué)的挑戰(zhàn)，同時還要挑戰(zhàn)計算機的極限。IBM之所以選擇了這樣的一條路，是有跡可尋的。2006年，IBM利用超級計算機模擬了40％老鼠大腦。2007年，模擬了老鼠全部大腦。2009年IBM宣布，模擬了貓的大腦皮層；同年，模擬了1％人類大腦皮層。

    新類腦芯片有神經(jīng)元、突觸和軸突

    對于IBM最新研制的類腦芯片，市場研究公司Envisioneering Group分析師理查德•多爾蒂認為，這項研究可以說是目前最接近復(fù)雜的認知計算機，它與當(dāng)前所使用的傳統(tǒng)計算機完全不同。這種新的計算機芯片的核心是其構(gòu)造與大腦類似，有“神經(jīng)元”，有“突觸”，還有“軸突”。“神經(jīng)元”是計算機的數(shù)字信息處理器；“突觸”是學(xué)習(xí)和記憶的基礎(chǔ)；“軸突”則是數(shù)據(jù)通道。

    新芯片采用45納米工藝，晶體管構(gòu)造，設(shè)計模仿大腦神經(jīng)元和突觸組織。兩個芯片均有256個數(shù)字神經(jīng)元和256個軸突，數(shù)字神經(jīng)元為10兆赫，具有芯片的標準功能，如存儲器、通信控制器等，可基于輸入動態(tài)連接突觸，神經(jīng)元可記住最近的活動，引發(fā)突觸。使用量大的軸突，其權(quán)重較大。其中一個芯片擁有262144個可編程突觸；而另一個芯片擁有65356個學(xué)習(xí)突觸，這種芯片最令人感興趣。理論上,每個數(shù)字神經(jīng)元可同時與另外255個數(shù)字神經(jīng)元連接，對于擁有65356個學(xué)習(xí)突觸的芯片而言，可產(chǎn)生1700個不同的組合。

    至于芯片的實際架構(gòu)，IBM還沒有暗示數(shù)字神經(jīng)元是否為交叉陣列排列。不過，IBM的新芯片不需要輸入和輸出，每個神經(jīng)元都與另外的255神經(jīng)元交叉連接。研究人員透露，該芯片具有非常大規(guī)模的并行能力。至于所有256個神經(jīng)元是否可以在同一時間運行，目前還不清楚。

    類腦芯片的智商仍有待提高

    需要注意的是，雖然新芯片擁有256個神經(jīng)元，但其“智商”還是令人難以置信的愚蠢，因為即便是池塘里的一個蝸牛也擁有11000個神經(jīng)元。事實上，IBM制造技術(shù)的重要意義在于利用傳統(tǒng)的硅實現(xiàn)了類腦結(jié)構(gòu)。到目前為止，幾乎每一個涉及人工智能和大腦模擬的技術(shù)均在超級計算機上通過編制軟件實現(xiàn)，比如藍腦。但超級計算機需要巨大的空間和大量的投資，并耗費大量的電能，如果能夠把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)縮小到一個芯片上，可能只需幾瓦的電能，這樣就可以大幅度節(jié)省能耗。如果IBM實現(xiàn)了規(guī)模化設(shè)計，就有可能制造出與人類大腦相近的、擁有數(shù)百萬乃至數(shù)十億數(shù)字神經(jīng)元的計算機。

    IBM表示，新芯片已成功完成迷宮游戲和擋板游戲。下一步將通過創(chuàng)造更多的數(shù)字神經(jīng)元，來挑戰(zhàn)模式識別、分析辨認物體的圖像和視頻或分析氣象站的實時數(shù)據(jù)。

    IBM的最終目標是利用信息技術(shù)將其基礎(chǔ)設(shè)施與物理世界連接。物理世界往往是隨機混亂的，難于被電腦理解和操控。但電腦卻可以借助信息技術(shù)，處理數(shù)字和數(shù)據(jù)，達到操控物理世界的效果。利用IBM的類腦芯片，有可能設(shè)計出更好的交通信號系統(tǒng)、空中交通管制系統(tǒng)，更好地管理公用事業(yè)，那將是一個完全不同的信息新時代。(科技日報)

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