IBM成功构建模拟人脑功能的认知计算机芯片

2011-8-22 10:03 来源: 中国科学院
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  8月18日,蓝色巨人IBM公布了一个令人振奋的消息。他们通过模拟大脑结构,首次成功构建出两个具有感知认知能力的硅芯片原型,可以像大脑一样具有学习和处理信息的能力。IBM公司领导该研究项目的负责人德哈门德拉·莫德哈表示,这两个计算机芯片结合了神经元的计算能力、突触(或神经节)的记忆能力和轴突的通信能力,基于这样的芯片,新一代计算机即将闪亮登场。

  依靠软件来实现人工智能的计算机智商太低

  自从计算机诞生以来,人类就憧憬着有朝一日,计算机能像人类大脑一样,会学习、懂交流、能感知、可互动,成为真正具有人工智能的电脑。

  这样的想法说来很好,但做起来却非常的难。一种思路是通过编制各种各样复杂的软件来实现人工智能。比如现如今大家使用的搜索引擎,就编制了复杂的计算机软件,可以依据过去发生的事件,初步预测一些特定的人类行为。再如智能手机,只要输入几个字母,就可以“推测”出你到底想要输入什么字词。但这都只是对大脑功能的简单模仿,用计算机专家的话来说,这些计算机的智商还没有达到人类婴儿的水平。

  利用软件实现人工智能还有一个更大的局限,就是受限于计算机的结构。现代计算机是以冯·诺依曼架构为基础,其内存和处理器分开,以总线作为数据通道。虽然当今计算机的速度日新月异,但内存与处理器之间的数据交互传输依然受限于总线的能力,这又被计算机科学家称为“冯·诺依曼瓶颈”。现代计算机的优点是善于解决数学问题和串行处理;缺点是无法处理大型问题,能耗高且编程困难。

  在征服人工智能这座险峰的过程中,一些科学家认识到,计算机能解决什么问题并不重要,重要的是计算机如何处理问题。人脑之所以强大,在于其有近千亿个神经元和10多万亿神经突触,信号可以传向四面八方。大脑神经元可同时工作,并行处理。

  模仿大脑构建智能计算机的曲折挑战

  IBM的想法就是试图模仿大脑结构来构建新的计算机芯片。事实证明,这样的一条路依然不是坦途。以IBM在计算机领域纵横60余载的能力和经验,完成本次一代类脑芯片原型,就动用了6个实验室,联合了来自康奈尔大学、威斯康星大学、加州大学、哥伦比亚大学和政府研究机构的上百位研究人员。不算IBM的投入,仅美国国防部高级研究计划局就资助了4100万美元的研究经费。即使这样,该研究也历时6年,耗费人工高达数百万小时。

  要想让计算机像大脑一样工作,不仅是技术上的挑战,生理上的挑战,也是对脑科学的挑战,同时还要挑战计算机的极限。IBM之所以选择了这样的一条路,是有迹可寻的。2006年,IBM利用超级计算机模拟了40%老鼠大脑。2007年,模拟了老鼠全部大脑。2009年IBM宣布,模拟了猫的大脑皮层;同年,模拟了1%人类大脑皮层。

  新类脑芯片有神经元、突触和轴突

  对于IBM最新研制的类脑芯片,市场研究公司Envisioneering Group分析师理查德·多尔蒂认为,这项研究可以说是目前最接近复杂的认知计算机,它与当前所使用的传统计算机完全不同。这种新的计算机芯片的核心是其构造与大脑类似,有“神经元”,有“突触”,还有“轴突”。“神经元”是计算机的数字信息处理器;“突触”是学习和记忆的基础;“轴突”则是数据通道。

  新芯片采用45纳米工艺,晶体管构造,设计模仿大脑神经元和突触组织。两个芯片均有256个数字神经元和256个轴突,数字神经元为10兆赫,具有芯片的标准功能,如存储器、通信控制器等,可基于输入动态连接突触,神经元可记住最近的活动,引发突触。使用量大的轴突,其权重较大。其中一个芯片拥有262144个可编程突触;而另一个芯片拥有65356个学习突触,这种芯片最令人感兴趣。理论上,每个数字神经元可同时与另外255个数字神经元连接,对于拥有65356个学习突触的芯片而言,可产生1700个不同的组合。

  至于芯片的实际架构,IBM还没有暗示数字神经元是否为交叉阵列排列。不过,IBM的新芯片不需要输入和输出,每个神经元都与另外的255神经元交叉连接。研究人员透露,该芯片具有非常大规模的并行能力。至于所有256个神经元是否可以在同一时间运行,目前还不清楚。

  类脑芯片的智商仍有待提高

  需要注意的是,虽然新芯片拥有256个神经元,但其“智商”还是令人难以置信的愚蠢,因为即便是池塘里的一个蜗牛也拥有11000个神经元。事实上,IBM制造技术的重要意义在于利用传统的硅实现了类脑结构。到目前为止,几乎每一个涉及人工智能和大脑模拟的技术均在超级计算机上通过编制软件实现,比如蓝脑。但超级计算机需要巨大的空间和大量的投资,并耗费大量的电能,如果能够把神经网络缩小到一个芯片上,可能只需几瓦的电能,这样就可以大幅度节省能耗。如果IBM实现了规模化设计,就有可能制造出与人类大脑相近的、拥有数百万乃至数十亿数字神经元的计算机。

  IBM表示,新芯片已成功完成迷宫游戏和挡板游戏。下一步将通过创造更多的数字神经元,来挑战模式识别、分析辨认物体的图像和视频或分析气象站的实时数据。

  IBM的最终目标是利用信息技术将其基础设施与物理世界连接。物理世界往往是随机混乱的,难于被电脑理解和操控。但电脑却可以借助信息技术,处理数字和数据,达到操控物理世界的效果。利用IBM的类脑芯片,有可能设计出更好的交通信号系统、空中交通管制系统,更好地管理公用事业,那将是一个完全不同的信息新时代。