11月13日，IBM宣布了世界上最大的人腦模擬計(jì)劃“Compass”，使用了世界排名第二的超級(jí)計(jì)算機(jī)Sequoia Blue Gene/Q和一個(gè)全新的、擴(kuò)展性很強(qiáng)的低功耗計(jì)算機(jī)架構(gòu)，終于模擬出了與人腦相當(dāng)?shù)?300億個(gè)神經(jīng)元和137萬(wàn)億個(gè)神經(jīng)突觸，這一數(shù)字已經(jīng)足以和人類(lèi)大腦相媲美，向真正意義上的“人工大腦”邁出了重要的一步。

那么，他們是怎樣達(dá)成這一成果的呢？來(lái)看果殼網(wǎng)的揭密——

認(rèn)知計(jì)算

人腦也許是宇宙中最復(fù)雜的存在了，但同時(shí)它又十分節(jié)能。人類(lèi)的大腦可以同時(shí)收集上千個(gè)感官信號(hào)，并對(duì)它們進(jìn)行判斷、分析，把具體的感知轉(zhuǎn)化為抽象的概念，同時(shí)在這一過(guò)程中進(jìn)行學(xué)習(xí)、規(guī)劃和創(chuàng)造。據(jù)IBM估計(jì)，以現(xiàn)有的科技水平，建造與人類(lèi)大腦復(fù)雜度相當(dāng)?shù)挠?jì)算機(jī)需要近100兆瓦的能量供應(yīng)，而人類(lèi)大腦進(jìn)行這一切活動(dòng)，只需要區(qū)區(qū)20瓦的功率就夠了。

如此巨大的能量消耗顯然是不現(xiàn)實(shí)的。要解決這一問(wèn)題，我們需要一套全新的思路。IBM提出的方案就是“認(rèn)知計(jì)算”。這一全新的領(lǐng)域凝聚了來(lái)自神經(jīng)科學(xué)、納米科技和超級(jí)計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域的最新研究成果。

神經(jīng)科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，人類(lèi)大腦之所以如此的節(jié)能，是因?yàn)樗怯伞笆录?qū)動(dòng)”的。簡(jiǎn)單的說(shuō)，神經(jīng)元、神經(jīng)突觸和軸突只在接收到感覺(jué)信號(hào)或者來(lái)自其他神經(jīng)元的信號(hào)時(shí)才會(huì)被激活，而其他時(shí)間它們是不消耗能量的。和它們相比，現(xiàn)在的電腦浪費(fèi)了大量的能源。

從獼猴大腦結(jié)構(gòu)中推導(dǎo)出來(lái)的神經(jīng)突觸網(wǎng)絡(luò)

來(lái)自IBM的工程師們受到這一原理的啟發(fā)，開(kāi)發(fā)出了一套新穎的計(jì)算架構(gòu)，并用它來(lái)模擬數(shù)目與人類(lèi)大腦相當(dāng)?shù)纳窠?jīng)元與神經(jīng)突觸。從生物學(xué)意義或者功能性上講，這一成果并不是對(duì)大腦的準(zhǔn)確模擬。雖然這套系統(tǒng)還無(wú)法進(jìn)行任何傳統(tǒng)意義上的感知、思考與概念形成等活動(dòng)，但它卻是向這一目標(biāo)邁進(jìn)的關(guān)鍵一步。

工作原理

研究者們最初是從CoCoMac開(kāi)始工作的。CoCoMac是一套包含獼猴大腦結(jié)構(gòu)信息的數(shù)據(jù)庫(kù)，雖然還不完整，但卻足夠全面。在經(jīng)過(guò)了四年對(duì)CoCoMac的艱難修補(bǔ)之后，這一團(tuán)隊(duì)最終得到了一套可用的數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上建立起了他們的人工大腦，這一系統(tǒng)的兩個(gè)主要組成部分便是神經(jīng)元和神經(jīng)突觸。

神經(jīng)元是計(jì)算中心。每個(gè)神經(jīng)元可以接收來(lái)自多達(dá)一萬(wàn)個(gè)相鄰神經(jīng)元的信號(hào)，隨后它會(huì)處理這些數(shù)據(jù)，并輸出另一個(gè)信號(hào)。約80%的神經(jīng)元是興奮性的，當(dāng)它們發(fā)出信號(hào)時(shí)，周?chē)纳窠?jīng)元也會(huì)被激活。而剩下的20%的神經(jīng)元?jiǎng)t是抑制性的，當(dāng)它們發(fā)出信號(hào)時(shí)，接收信號(hào)的相鄰神經(jīng)元會(huì)被抑制。

神經(jīng)突觸的功能是連接不同的神經(jīng)元，記憶與學(xué)習(xí)也隨著神經(jīng)突觸的形成而發(fā)生。每一個(gè)突觸都有一個(gè)“權(quán)重值”。這個(gè)權(quán)重值是由經(jīng)過(guò)某一突觸的信號(hào)數(shù)量決定的。當(dāng)大量的信號(hào)通過(guò)某一突觸時(shí)，這一突觸的權(quán)重值就會(huì)上升，而這臺(tái)虛擬大腦就是這樣進(jìn)行“聯(lián)想學(xué)習(xí)”的。

這套系統(tǒng)的算法會(huì)定期檢查一個(gè)神經(jīng)元是否在發(fā)出信號(hào)。如果它的確在發(fā)出信號(hào)，這一神經(jīng)元周?chē)耐挥|的權(quán)重值就會(huì)被調(diào)整，而隨后它們會(huì)根據(jù)這一新?tīng)顟B(tài)與其他的神經(jīng)元進(jìn)行交流。這一算法的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是它不會(huì)在大量的突觸上浪費(fèi)時(shí)間與能量，而只在一小部分需要被激活的突觸上花費(fèi)有限的計(jì)算能力。

就像一個(gè)真正的大腦一樣，這種計(jì)算架構(gòu)是分布式、由事件驅(qū)動(dòng)的，而且十分節(jié)能。同時(shí)，它還可以繞過(guò)傳統(tǒng)計(jì)算架構(gòu)固有的許多局限。

IBM的終極目標(biāo)是建造一個(gè)復(fù)雜度可與人類(lèi)大腦相媲美、體積又足夠小的計(jì)算機(jī)，同時(shí)它的能量消耗還要在1千瓦左右。現(xiàn)在，他們已經(jīng)利用世界排名第二的超級(jí)電腦Sequoia Blue Gene/Q達(dá)成了這一目標(biāo)(當(dāng)然，這距離“便攜”和“節(jié)能”還有很遠(yuǎn)的距離)。這臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)中有超過(guò)150萬(wàn)只處理器內(nèi)核和1.5PB(150萬(wàn)GB)的內(nèi)存，可以同時(shí)運(yùn)行多達(dá)629萬(wàn)條線(xiàn)程。

為了進(jìn)一步降低能量消耗，IBM正在構(gòu)建一款全新的定制芯片，被稱(chēng)作“神經(jīng)突觸核心”(neurosynaptic cores)。這款特制的芯片可以充分激發(fā)新計(jì)算架構(gòu)的潛能，并將最終取代現(xiàn)在模擬中使用的超級(jí)計(jì)算機(jī)。

“神經(jīng)突觸核心”芯片結(jié)構(gòu)圖

每個(gè)核心都是由“神經(jīng)元”、“突觸”和“軸突”組成的。雖然被如此命名，但這些元件其實(shí)并不是模仿生物大腦中的結(jié)構(gòu)而設(shè)計(jì)的。它們的設(shè)計(jì)目標(biāo)是降低生產(chǎn)成本和提高性能。

應(yīng)用前景

IBM最新設(shè)計(jì)的這一架構(gòu)具有極高的并行性，這讓它非常適合處理需要大量數(shù)據(jù)輸入的計(jì)算。這和標(biāo)準(zhǔn)的神經(jīng)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有太大的差別，但新系統(tǒng)的處理性能和能量利用效率卻有了很大的提升。

IBM通過(guò)進(jìn)行這樣的實(shí)驗(yàn)可以進(jìn)一步了解標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算架構(gòu)的局限，如在進(jìn)行大規(guī)模運(yùn)算時(shí)如何平衡存儲(chǔ)、計(jì)算和傳輸性能。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)還可以為將來(lái)設(shè)計(jì)更加節(jié)能、并行程度更高的高性能芯片積累經(jīng)驗(yàn)。

對(duì)于這一新的研究成果，未來(lái)的應(yīng)用可能包括更加準(zhǔn)確的天氣預(yù)報(bào)，股票市場(chǎng)預(yù)測(cè)，可以實(shí)時(shí)進(jìn)行診斷的智能病患監(jiān)控系統(tǒng)和性能可以與人類(lèi)媲美的光學(xué)字符識(shí)別和語(yǔ)音識(shí)別軟件等等。

至于真正模擬人類(lèi)大腦，我們?nèi)杂泻荛L(zhǎng)的路要走。但至少，科學(xué)家們?cè)诓粩嗳〉眯碌耐黄啤?/p>