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芯片造脑:科幻照进现实?

http://www.ec.hc360.com2014年09月30日15:38 来源:果壳T|T

    人脑那自傲、强大而又神秘无比的信息处理功能一直令人痴迷。也许是缘于这种痴迷,每当新的技术出现,它们总会被用来进行复制大脑的尝试。虽然在这一过程中我们收获了不少新的信息处理工具,但这些“复制品”和真正的大脑依然相差甚远,这也一次次证明了人类对脑的理解还仅处于“两小儿辩日”的启蒙阶段。

    然而就在最近半年里,“造脑行动”又有了新的进展:IBM和高通(Qualcomm)两大巨头先后发布了基于神经拟态技术的“脑芯片”。IBM的SyNAPSE芯片号称模拟了一百万个神经元细胞和超过两亿个神经突触连接,初具人工大脑的规模。高通公司4月公布的Zeroth芯片也在硅片上高效地模拟了脑神经元,装载了该芯片的机器小车还能运用“受到人脑启发的算法”完成寻路、躲避障碍等任务。如果几十年前的人穿越过来,恐怕会以为科幻小说全面进入生活了。

     左:IBM公司于2014年8月推出的SyNAPSE芯片外观;右:高通Zeroth芯片的宣传图

左:IBM公司于2014年8月推出的SyNAPSE芯片外观;右:高通Zeroth芯片的宣传图

    那么,“仿真脑”的时代真的要来临了吗?现在下结论似乎还为时过早。在对人脑的模拟上,科学家们还面临着许多困惑和挑战。下面,就让我们来看看“造脑”这个科幻题目在现实世界中究竟现状如何吧。

    “神经拟态”芯片英雄谱

    仿照生命体的神经系统的架构来设计大规模集成电路(VLSI)的硬件电子技术,被称为“神经拟态工程”(Neuromorphicengineering),这门工程学开创于上世纪80年代。在近40年的发展中,神经拟态芯片屡有新作,尤其是最近10年,随着IBM、惠普、高通等电子硬件巨头的加入,神经拟态领域开始呈现加速赛跑的热闹场面。

    神经拟态的关键在于制造可以产生神经电信号的“拟真神经元”,要达到这一目的,有两种途径可走。第一种是利用硅的半导体特性,直接在硅元件上用积累的电压来模拟神经元的膜电位,这种方式被称为“模拟式神经拟态”。这种方案是神经拟态工程最经典的技术路线,它直接地将神经细胞的信号传导方式转换到了硅基导体上。用模拟方式制造出来的“神经元”能够轻松达到和生命体一样的运算速度,甚至更快。

    另一种模拟途径是制造一块类似小型电脑的数字芯片,然后在上面运行神经元的仿真程序,由仿真程序负责生成类似神经冲动的信号,这种方案被称为“数字式神经拟态”。开篇提到的IBM公司的SyNAPSE和高通公司的Zeroth芯片采用的都是数字式的拟态方案。数字模拟的优势在于可以灵活采用各种不同的神经元模型,例如在拟真度要求较高的应用中可以加入神经突触和离子通道的详细特性,而在速度要求较高的时候则可以简化模型来保证速度。数字方案虽然仿真速度有所下降,但经过优化后也能达到和神经元一样或更快的运算速度,而更高的灵活性也让它成为了神经拟态技术的热门选项。

    在各种神经拟态芯片中,绝大多数都混合集成了数字和模拟这两种技术,通过优势互补使芯片达到更好的性能。

    造脑的巨大挑战

    现在,已经有了相当多的“类脑”芯片问世,它们看起来相当“酷炫”,但似乎从未能够撼动传统计算机芯片的地位。这很大程度上是缘于“造脑”这件任务所带来的巨大挑战。

    对很多音乐发烧友来说,“魔声(Monster)”这个耳机品牌应该不陌生。创立魔声品牌的是美国加利福尼亚的华裔工程师李美圣(NoelLee)。李先生年轻时对于音乐品质的细微挑剔已经到了苛刻的地步,以至于在常人所不注意的线材上都发现了可以提升音质的余地。所以魔声公司一炮走红的主打产品其实并不是我们所熟悉的耳机,而是又粗又壮的高端线材(MonsterCable)。魔声公司在技术上的历程引发了一个思考:高质量的信息处理系统往往需要高质量的信号通路,传输通路的重要性有时甚至会超过信息的产生和处理本身。

责任编辑:李嘉

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