德國科學家研制“芯片上的大腦”
“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。”
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