像人脑那样思维的芯片

热图像：IBM公司所谓的TrueNorth计算机芯片（左）以及旁边的其他芯片；其他芯片正在向类似大脑的TrueNorth芯片提供数据。

                                                          IBM公司的TrueNorth芯片可以模拟数以百万计的大脑神经元。

这款计算机芯片能够像人脑那样思维

胡德良 译

IBM公司最新的计算机芯片类似大脑，虽然可能不比“五年级学生更聪明”，但是它可以模拟数以百万计的大脑神经元，能够利用很少的能量执行复杂的任务。

这家计算机硬件巨头公司的研究人员开发了一种邮票大小的芯片，其中配备了54亿个晶体管，能够模拟一百万个神经元和2.56亿个神经连接（或称为突触）。除了芯片本身能够模仿大脑的处理过程之外，各芯片可以像瓷砖一样并排连接在一起，类似于人类大脑回路的连接方式。

今天，研究小组在《科学》杂志上描述了TrueNorth芯片，他们利用这种芯片执行了一项对于传统计算机来说非常具有挑战性的任务：分辨出一张图片中的人和物体。

该研究的主持人、加州圣何塞市IBM阿玛丹研究中心认知计算小组组长兼首席研究员达门德拉·莫德哈（Dharmendra Modha）说：“我们没有创造大脑。我们所做的就是借鉴了大脑的解剖结构和生理学原理。”

莫德哈利用一个类比的方法解释了似脑芯片与传统计算机芯片的区别。他告诉现场科学网的记者说：你可以把传统计算机当作左脑机，它速度快、有连续性、善于处理数字。“我们正在创建的是与之对应的另一部分——右脑机，”莫德哈说。

右脑机

从20世纪40年代最初的通用电子计算机到当今先进的个人电脑和智能手机，传统计算机使用了由美籍匈牙利数学家兼发明家约翰·冯·诺伊曼于1945年描述的模型。冯·诺伊曼的体系结构包含一个处理单元、一个控制单元、存储器、外部存储器以及输入和输出机制。由于结构问题，这个系统不能同时检索指令和运算数据。

相比之下，IBM公司新型芯片的体系结构是一个类似于活体大脑的体系结构。这种芯片由计算核心组成，每个计算核心包含256条输入线，或称为“轴突”（相当于神经细胞传送电子信号的丝线状部分），还包含256条输出线，或称为“神经元”。很像真正的大脑，只有电荷达到一定的阈值后，人造神经元才会发送信号。

研究人员将4,000多个这样的计算核心连接起来装在一个芯片上，利用一项复杂的图像识别任务来测试其性能。计算机必须探测一张照片上的人、骑车人、小汽车和其他车辆，并正确识别每个对象。

莫德哈称，该项目是一个重大的创举。“这是一个庞大的团队之间的合作，合作持续了许多年。”他说，“这是一项多学科、多机构、花费了多年时间的成就。”

美国国防部的分支机构——国防高级研究计划局（DARPA）负责为军队开发新技术，该机构为这个5,350万美元的项目提供了资金支持。

研究团队完成芯片的构建之后，莫德哈停止工作一个月。在此期间，任何找出设备中有毛病的团队成员都将获得莫德哈提供的一瓶价值1,000美元的香槟。然而莫德哈称，没有人找出任何毛病。

研究人员表示：跟传统的计算机芯片相比，这款新型芯片不但效率高得多，而且所产生的热量也要少得多。

莫德哈说：当今的计算机——笔记本电脑、智能手机、甚至汽车电脑，都在遭受视觉和感知障碍之苦；但是，如果这些设备所起的作用更像人类大脑，那么它们最终会更加清晰地了解周围的环境；例如，你不用将摄像机拍下的图像输入到计算机上去处理，摄像机的传感器本身就成为计算机了！

构建大脑

IBM公司的研究人员并不是构建仿大脑计算机芯片的唯一团队。斯坦福大学的一个团队开发了一种叫做Neurogrid的系统，该系统可以模仿一百万个神经元和数十亿个突触。

但是莫德哈说：Neurogrid需要16个芯片连接在一起，而IBM公司只用一个芯片就可以模拟同样数量的神经元了；此外，Neurogrid的内存位于芯片之外，而IBM公司的芯片系统将计算和内存集成于同一芯片上，最大限度地减少了传送数据所需要的时间。

夸贝纳·波尔汉（Kwabena Boahen）是斯坦福大学的电气工程师，他主持了Neurogrid系统的开发。波尔汉将IBM公司的芯片称为“一项非常引人瞩目的成就”。波尔汉称，Neurogrid项目中的几个同事已经到IBM公司继续工作了。

波尔汉告诉现场科学网的记者说：IBM公司的团队能够在一个芯片上安装更多的晶体管，而且能够使其非常节能。他说：在节能上更加高效意味着你可以直接在自己的手机上进行运算，而不用依靠云计算。云计算是苹果公司语音控制程序Siri的运行方式。也就是说，Siri程序通过网络将计算外包给其他计算机，而不是在设备本地执行运算。

IBM公司创造的这款芯片是国防高级研究计划局“神经形态自适应塑料可伸缩电子系统（SyNAPSE）”计划的一部分，这项计划的目标是建造一台在形式和功能上类似哺乳动物大脑的计算机，其智力类似于猫或老鼠。

莫德哈说：“我们取得了巨大进步。”2010年，研究小组绘制出猴子大脑的接线图；2011年，生产出一个小规模的神经核；目前的芯片包含了4,000多个这样的神经核。

尽管如此，IBM公司的芯片仍然与人类大脑相去甚远——人类大脑包含86万亿个神经元和100万亿个突触。莫德哈说：“我们已经走过了很长的路，然而还有很长的路要走。”