IBM成功構建模擬人腦功能的認知計算機芯片

　　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構，首次成功構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習和處理信息的能力。IBM公司領導該研究項目的負責人德哈門德拉·莫德哈表示，這兩個計算機芯片結合了神經元的計算能力、突觸（或神經節）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，會學習、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雜的軟件來實現人工智能。比如現如今大家使用的搜索引擎，就編制了復雜的計算機軟件，可以依據過去發生的事件，初步預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。

　　利用軟件實現人工智能還有一個更大的局限，就是受限于計算機的結構。現代計算機是以馮·諾依曼架構為基礎，其內存和處理器分開，以總線作為數據通道。雖然當今計算機的速度日新月異，但內存與處理器之間的數據交互傳輸依然受限于總線的能力，這又被計算機科學家稱為“馮·諾依曼瓶頸”。現代計算機的優點是善于解決數學問題和串行處理；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元和10多萬億神經突觸，信號可以傳向四面八方。大腦神經元可同時工作，并行處理。

　　模仿大腦構建智能計算機的曲折挑戰

　　IBM的想法就是試圖模仿大腦結構來構建新的計算機芯片。事實證明，這樣的一條路依然不是坦途。以IBM在計算機領域縱橫60余載的能力和經驗，完成本次一代類腦芯片原型，就動用了6個實驗室，聯合了來自康奈爾大學、威斯康星大學、加州大學、哥倫比亞大學和政府研究機構的上百位研究人員。不算IBM的投入，僅美國國防部高級研究計劃局就資助了4100萬美元的研究經費。即使這樣，該研究也歷時6年，耗費人工高達數百萬小時。

　　要想讓計算機像大腦一樣工作，不僅是技術上的挑戰，生理上的挑戰，也是對腦科學的挑戰，同時還要挑戰計算機的極限。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雜的認知計算機，它與當前所使用的傳統計算機完全不同。這種新的計算機芯片的核心是其構造與大腦類似，有“神經元”，有“突觸”，還有“軸突”。“神經元”是計算機的數字信息處理器；“突觸”是學習和記憶的基礎；“軸突”則是數據通道。

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

　　至于芯片的實際架構，IBM還沒有暗示數字神經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，每個神經元都與另外的255神經元交叉連接。研究人員透露，該芯片具有非常大規模的并行能力。至于所有256個神經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個神經元。事實上，IBM制造技術的重要意義在于利用傳統的硅實現了類腦結構。到目前為止，幾乎每一個涉及人工智能和大腦模擬的技術均在超級計算機上通過編制軟件實現，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，如果能夠把神經網絡縮小到一個芯片上，可能只需幾瓦的電能，這樣就可以大幅度節省能耗。如果IBM實現了規模化設計，就有可能制造出與人類大腦相近的、擁有數百萬乃至數十億數字神經元的計算機。

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

　　IBM的最終目標是利用信息技術將其基礎設施與物理世界連接。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，處理數字和數據，達到操控物理世界的效果。利用IBM的類腦芯片，有可能設計出更好的交通信號系統、空中交通管制系統，更好地管理公用事業，那將是一個完全不同的信息新時代。