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   來源： 科技日報(bào)作者： 何屹 毛黎

   今日視點(diǎn)

    8月18日，藍(lán)色巨人IBM公布了一個(gè)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(gè)具有感知認(rèn)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(xiàng)目的負(fù)責(zé)人德哈門德拉•莫德哈表示，這兩個(gè)計(jì)算機(jī)芯片結(jié)合了神經(jīng)元的計(jì)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(jì)算機(jī)即將閃亮登場。

    依靠軟件來實(shí)現(xiàn)人工智能的計(jì)算機(jī)智商太低

    自從計(jì)算機(jī)誕生以來，人類就憧憬著有朝一日，計(jì)算機(jī)能像人類大腦一樣，會(huì)學(xué)習(xí)、懂交流、能感知、可互動(dòng)，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(shí)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(jì)算機(jī)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(jī)，只要輸入幾個(gè)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(duì)大腦功能的簡單模仿，用計(jì)算機(jī)專家的話來說，這些計(jì)算機(jī)的智商還沒有達(dá)到人類嬰兒的水平。

    利用軟件實(shí)現(xiàn)人工智能還有一個(gè)更大的局限，就是受限于計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)科學(xué)家稱為“馮•諾依曼瓶頸”?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是善于解決數(shù)學(xué)問題和串行處理；缺點(diǎn)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(xiǎn)峰的過程中，一些科學(xué)家認(rèn)識(shí)到，計(jì)算機(jī)能解決什么問題并不重要，重要的是計(jì)算機(jī)如何處理問題。人腦之所以強(qiáng)大，在于其有近千億個(gè)神經(jīng)元和10多萬億神經(jīng)突觸，信號(hào)可以傳向四面八方。大腦神經(jīng)元可同時(shí)工作，并行處理。

   模仿大腦構(gòu)建智能計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)芯片。事實(shí)證明，這樣的一條路依然不是坦途。以IBM在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域縱橫60余載的能力和經(jīng)驗(yàn)，完成本次一代類腦芯片原型，就動(dòng)用了6個(gè)實(shí)驗(yàn)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(jī)構(gòu)的上百位研究人員。不算IBM的投入，僅美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局就資助了4100萬美元的研究經(jīng)費(fèi)。即使這樣，該研究也歷時(shí)6年，耗費(fèi)人工高達(dá)數(shù)百萬小時(shí)。

    要想讓計(jì)算機(jī)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(duì)腦科學(xué)的挑戰(zhàn)，同時(shí)還要挑戰(zhàn)計(jì)算機(jī)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(jí)計(jì)算機(jī)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(duì)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(rèn)為，這項(xiàng)研究可以說是目前最接近復(fù)雜的認(rèn)知計(jì)算機(jī)，它與當(dāng)前所使用的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)完全不同。這種新的計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(jì)模仿大腦神經(jīng)元和突觸組織。兩個(gè)芯片均有256個(gè)數(shù)字神經(jīng)元和256個(gè)軸突，數(shù)字神經(jīng)元為10兆赫，具有芯片的標(biāo)準(zhǔn)功能，如存儲(chǔ)器、通信控制器等，可基于輸入動(dòng)態(tài)連接突觸，神經(jīng)元可記住最近的活動(dòng)，引發(fā)突觸。使用量大的軸突，其權(quán)重較大。其中一個(gè)芯片擁有262144個(gè)可編程突觸；而另一個(gè)芯片擁有65356個(gè)學(xué)習(xí)突觸，這種芯片最令人感興趣。理論上,每個(gè)數(shù)字神經(jīng)元可同時(shí)與另外255個(gè)數(shù)字神經(jīng)元連接，對(duì)于擁有65356個(gè)學(xué)習(xí)突觸的芯片而言，可產(chǎn)生1700個(gè)不同的組合。

    至于芯片的實(shí)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(gè)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(gè)神經(jīng)元是否可以在同一時(shí)間運(yùn)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(gè)神經(jīng)元，但其“智商”還是令人難以置信的愚蠢，因?yàn)榧幢闶浅靥晾锏囊粋€(gè)蝸牛也擁有11000個(gè)神經(jīng)元。事實(shí)上，IBM制造技術(shù)的重要意義在于利用傳統(tǒng)的硅實(shí)現(xiàn)了類腦結(jié)構(gòu)。到目前為止，幾乎每一個(gè)涉及人工智能和大腦模擬的技術(shù)均在超級(jí)計(jì)算機(jī)上通過編制軟件實(shí)現(xiàn)，比如藍(lán)腦。但超級(jí)計(jì)算機(jī)需要巨大的空間和大量的投資，并耗費(fèi)大量的電能，如果能夠把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)縮小到一個(gè)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(shí)現(xiàn)了規(guī)?；O(shè)計(jì)，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(jì)算機(jī)。

    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(shí)別、分析辨認(rèn)物體的圖像和視頻或分析氣象站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

    IBM的最終目標(biāo)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(jī)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(dá)到操控物理世界的效果。利用IBM的類腦芯片，有可能設(shè)計(jì)出更好的交通信號(hào)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(gè)完全不同的信息新時(shí)代。(科技日報(bào))

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