“芯片上的大腦”原型

造個大腦給你用

    德國海德堡大學的物理學家卡爾海因茨·邁爾正在協(xié)調(diào)由歐盟支持的FACETS項目，該項目匯集了來自7個國家15個研究院所的科學家來從事該項研究。得益于神經(jīng)科學研究的成果，他們正在構(gòu)建一臺像大腦一樣工作的神經(jīng)計算機，但規(guī)模要小得多。邁爾說：“我們都知道大腦具有神奇的運算本領(lǐng)。我們即將開發(fā)的系統(tǒng)將借鑒大腦的生物學知識，也許將成為新一輪信息技術(shù)革命的一部分。”

    人類大腦和日常使用的計算機在3個方面具有明顯的不同：消耗功率非常小；即使在部件失效時也能運行良好；不用任何軟件就能工作。

    那么它又是如何進行運算的呢？還沒有人知道。不過，F(xiàn)ACETS的一個研究小組正在對大腦細胞——神經(jīng)元進行詳盡的研究，以期找出它們到底是如何工作的，它們之間是如何相連的，這些網(wǎng)絡(luò)又是如何“學會”做新事情的。

測繪腦細胞

    邁爾說：“我們現(xiàn)在的處境極像是分子生物學家在幾年前面臨的境況，那時人們開始繪制人類基因組，并獲取有用的數(shù)據(jù)。我們的同事現(xiàn)在也正在記錄神經(jīng)組織的數(shù)據(jù)，來描繪神經(jīng)元和突觸以及它們的連接。這項工作近乎工業(yè)規(guī)模，要記錄許許多多神經(jīng)細胞的數(shù)據(jù)，然后將其放入數(shù)據(jù)庫中。”

    同時，另一個FACETS小組則正在開發(fā)簡化的數(shù)學模型，以精確地描述正被揭示的這些復(fù)雜行為。雖然這些神經(jīng)元可進行詳細建模，但是它們實在是過于復(fù)雜，因而無法用軟件或硬件來加以實施。

    研究人員的目標是要利用這些模型制造出一臺可模擬大腦的“神經(jīng)計算機”。第一步就是在單個芯片上建立一個由300個神經(jīng)元和50萬個突觸組成的網(wǎng)絡(luò)。研究小組使用模擬電子來代表神經(jīng)元，利用數(shù)字電子來代表它們之間的通信。這是一個獨特的組合。

    因為神經(jīng)元是非常小的，所以這個系統(tǒng)要比生物等效法快10萬倍，比軟件模擬快1000萬倍。邁爾說：“我們可在1秒鐘內(nèi)完成1天的模擬量。”

    目前，研究人員可在互聯(lián)網(wǎng)上使用該網(wǎng)絡(luò)開展工作，而無需親身前往海德堡。

新型計算

    但是，這個“第一階段”的網(wǎng)絡(luò)是在測繪和建模工作得出成果之前設(shè)計的。目前，研究小組正在構(gòu)建“第二階段”網(wǎng)絡(luò)，新網(wǎng)絡(luò)中包含了20萬個神經(jīng)元和5000萬個突觸，這將納入迄今為止神經(jīng)科學的所有發(fā)現(xiàn)。

    研究小組在20厘米的單硅片上建立了該網(wǎng)絡(luò)，這種硅片通常用在批量生產(chǎn)芯片過程的切割和封裝之前。此做法將有助于制成更緊湊的設(shè)備。

    此前，“圓片規(guī)模集成”從未這樣使用過，因為如此大的電路必將產(chǎn)生制造缺陷。邁爾指出：“我們的芯片會有缺陷，但每個缺陷可能只會影響到網(wǎng)絡(luò)中的一個突觸或一個連接。我們利用了容錯原理，使整個圓片成為一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。”

    神經(jīng)計算機又是如何使用的呢？邁爾強調(diào)，制造數(shù)字計算機的原理并不能簡單地套用到大腦建模設(shè)備上。要使它們工作須有一個全新的計算理論。FACETS的另一個小組正在就此開展工作。

超越大腦

    一臺真正實用的神經(jīng)計算機離我們可能還需5年的時間。邁爾說，第一步也許是在你的家用計算機中加入一個小設(shè)備，它能處理非常復(fù)雜的輸入數(shù)據(jù)并提供一個簡單的結(jié)果，一個典型的應(yīng)用可能就是互聯(lián)網(wǎng)搜索。

    從長遠來看，哪里需要作出復(fù)雜和困難的決定，哪里就會有神經(jīng)計算機的身影。比方說，公司可在作出重要的商業(yè)決策時，用神經(jīng)計算機來評估此決策的效果。在今天暗淡的經(jīng)濟氣候下，許多公司都會希望擁有一臺這樣的計算機吧！

    那么，神經(jīng)計算機的發(fā)展較終將向哪里去？邁爾指出，神經(jīng)計算機的低功耗和容錯性，也許可將其部件的尺寸降至分子大小。“這樣，我們就能制造出完全不同的計算機設(shè)備，它們具有優(yōu)異的性能，在某些時候，它們的表現(xiàn)也許可與大腦媲美，甚至超越大腦。”