科日

讓機(jī)器像人腦一樣工作——這不是幻想，已經(jīng)有科學(xué)家走在實(shí)現(xiàn)它的路上。

2019年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院“激活”了世界上最大的“大腦”——一臺(tái)類腦超級(jí)計(jì)算機(jī)spiNNaker。據(jù)曼徹斯特大學(xué)官網(wǎng)介紹，這臺(tái)計(jì)算機(jī)擁有100萬個(gè)處理器內(nèi)核，每秒可進(jìn)行200萬億次運(yùn)算，處理信息的方式與人腦類似。SpinNaker設(shè)計(jì)師、計(jì)算機(jī)工程教授史蒂夫·弗伯表示，該類腦超算“重構(gòu)了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的工作方式”。

模擬生物大腦的信息處理方式

“SpiNNaker之所以被稱為類腦超級(jí)計(jì)算機(jī)，是因?yàn)樗谀７律锎竽X處理信息的方式，而且處理速度和規(guī)模遠(yuǎn)超同類機(jī)型，但在體系結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)意義的超級(jí)計(jì)算機(jī)有明顯不同。我更傾向于把這類模仿生物大腦的機(jī)器統(tǒng)稱為‘類腦機(jī)?！北本┐髮W(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系主任黃鐵軍表示，超級(jí)計(jì)算機(jī)往往是指性能更高、規(guī)模更大的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，而類腦機(jī)則是指借鑒、模擬生物大腦神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和信息處理過程的智能機(jī)器，而非單純進(jìn)行計(jì)算任務(wù)的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。

美國(guó)加州科技大學(xué)校長(zhǎng)秦志剛也持有相同觀點(diǎn)?！邦惸X機(jī)與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的工作方式不同?！彼硎?，個(gè)人計(jì)算機(jī)往往只有1個(gè)中央處理器（CPU），該CPU功能強(qiáng)大，可處理多種任務(wù)，但在這種模式下，任務(wù)只能被接續(xù)處理，即處理完一個(gè)，才能處理下一個(gè)。但類腦機(jī)的原型——生物大腦的工作方式并非如此。據(jù)統(tǒng)計(jì)，人的大腦中約有1000億個(gè)神經(jīng)元，這些神經(jīng)元是人腦神經(jīng)系統(tǒng)最基本的結(jié)構(gòu)和功能單位。每個(gè)神經(jīng)元均可被看成是一個(gè)簡(jiǎn)化版CPU，其計(jì)算功能雖比不上計(jì)算機(jī)的CPU，但勝在數(shù)量多，且每個(gè)神經(jīng)元均可獨(dú)立完成任務(wù)。簡(jiǎn)而言之，可以把大腦看成是由多個(gè)同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的CPU組成的機(jī)器，其具有高效的多任務(wù)信息處理能力。

常規(guī)超級(jí)計(jì)算機(jī)雖也有大量CPU，但是這些CPU只能進(jìn)行簡(jiǎn)單并行工作。相比之下，生物神經(jīng)元相互連接形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)要復(fù)雜得多。

那么，類腦機(jī)如何模仿生物大腦中神經(jīng)元之間的信息交換和處理過程？

大腦中每個(gè)神經(jīng)元通過數(shù)千個(gè)神經(jīng)突觸與其他神經(jīng)元連接，構(gòu)成可感知、綜合處理、反饋信息的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。感知到外界信號(hào)后，上游神經(jīng)元可將信號(hào)以神經(jīng)脈沖的形式“發(fā)送”給多個(gè)下游神經(jīng)元，下游神經(jīng)元再將這一脈沖信號(hào)傳遞給更多的神經(jīng)元。這些神經(jīng)脈沖信號(hào)在神經(jīng)元之間的傳遞過程，實(shí)際上就是大腦處理信息的過程。

“類腦機(jī)通過大規(guī)模神經(jīng)形態(tài)芯片模擬生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，每塊芯片上都集成了大量電子或光子神經(jīng)元和突觸陣列。”黃鐵軍介紹，與生物神經(jīng)元不同，電子版神經(jīng)元的連接狀態(tài)可通過軟件實(shí)現(xiàn)。類腦機(jī)處理信息也采用傳遞神經(jīng)脈沖信號(hào)的方式進(jìn)行，只是通常不直接采用生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的連接模式，而是采用路由交換的方式，提高靈活性。一種典型的做法是將脈沖信號(hào)打包，然后利用包裹上的“投遞地址”等信息，實(shí)現(xiàn)面向下游神經(jīng)元的精準(zhǔn)投遞;待下游神經(jīng)元收到大量的信息包，而后根據(jù)自身的處理特性生成新的脈沖，再將信息“投遞”出去，周而往復(fù)。當(dāng)這種類腦機(jī)的計(jì)算精度達(dá)到一定程度后，就能產(chǎn)生僅生物大腦才具有的某些功能，甚至可能出現(xiàn)“靈感涌現(xiàn)”等高級(jí)智能。

更節(jié)能，可促進(jìn)相關(guān)學(xué)科發(fā)展

1981年，美國(guó)生物學(xué)家杰拉爾德-艾德曼提出了“綜合神經(jīng)建模”理論，這位科學(xué)家成為仿真生物大腦領(lǐng)域的先驅(qū)者。30多年來，人們花費(fèi)了大量的精力、財(cái)力研究類腦算法、模型及配套硬件設(shè)施。以SpiNNaker為例，該項(xiàng)目始建于2006年，迄今已花費(fèi)了約1500萬歐元。

那么，類腦機(jī)為何能讓人們?nèi)绱酥圆橹冻鲋T多努力？“類腦機(jī)擁有現(xiàn)階段主流人工智能模型（如深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）無法比擬的高智能、低能耗的優(yōu)勢(shì)。”中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所副所長(zhǎng)劉成林表示，深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)往往只具有完成單一任務(wù)的智能，如圖片識(shí)別、語音識(shí)別等，缺乏綜合處理不同場(chǎng)景信息的能力，這也是制約其未來發(fā)展的瓶頸問題之一。類腦機(jī)則得益于模仿大腦的“先天優(yōu)勢(shì)”，在綜合感知、推理等方面的能力更為突出。

類腦機(jī)在低能耗方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。人腦執(zhí)行計(jì)算任務(wù)所消耗的能量要比目前通用計(jì)算機(jī)低很多。正如歐盟在其推出的《人類大腦計(jì)劃》報(bào)告中指出，在處理等量任務(wù)時(shí)，目前沒有任何人工系統(tǒng)能夠媲美人腦的低能耗。人類大腦的能耗一般在20瓦左右，而一臺(tái)普通筆記本電腦的能耗功率約為100瓦。這種差距在基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的人工智能上表現(xiàn)得更為顯現(xiàn)。2016年，阿爾法狗對(duì)戰(zhàn)圍棋九段高手李世石時(shí)，該人工智能程序的能耗達(dá)1兆瓦，將近人腦的5萬倍。“現(xiàn)階段類腦機(jī)的能耗雖無法降至人腦水平，但比人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)能?！眲⒊闪直硎尽?/p>

另一方面，類腦機(jī)的研究可以促進(jìn)腦科學(xué)和神經(jīng)科學(xué)研究的發(fā)展。大腦是人身體中最復(fù)雜的器官，其神經(jīng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)理至今仍有很多不清楚的地方，靠影像手段難以直接觀測(cè)。劉成林指出，類腦機(jī)作為模擬大腦的計(jì)算模型，通過計(jì)算產(chǎn)生類似大腦的活動(dòng)和智能行為，可以反過來為腦神經(jīng)結(jié)構(gòu)和功能的研究提供有益的啟發(fā)。同時(shí)，腦科學(xué)和神經(jīng)科學(xué)的進(jìn)步也將促進(jìn)類腦機(jī)向更高智能方向發(fā)展。

首臺(tái)實(shí)時(shí)模擬人腦機(jī)器或2022年出現(xiàn)

黃鐵軍描繪了未來類腦機(jī)的藍(lán)圖：當(dāng)神經(jīng)形態(tài)器件和芯片的精密程度發(fā)展到一定階段后，在信息處理速度上或比人腦快幾個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)在外形上沒有了人腦骨骼結(jié)構(gòu)的限制……

距離研制出這樣一臺(tái)“電腦”，我們還有多遠(yuǎn)的路要走？黃鐵軍介紹說，根據(jù)歐盟推出的《人類大腦計(jì)劃》，到2022年，首臺(tái)實(shí)時(shí)模擬人類大腦的機(jī)器就會(huì)出現(xiàn)，約20年后，尺寸與人腦相當(dāng)又能精確模擬人腦功能的類腦機(jī)或?qū)⒚媸馈?/p>

當(dāng)類腦機(jī)出現(xiàn)后，它會(huì)給我們的生活帶來哪些改變？“類腦機(jī)的出現(xiàn)必然會(huì)給人們的生活方式，尤其是學(xué)習(xí)方式帶來巨大的變革。類腦機(jī)可大量減少人類重復(fù)性的工作，同時(shí)其也會(huì)成為創(chuàng)新靈感的來源之一?！鼻刂緞偙硎?。

劉成林認(rèn)為，裝有類腦機(jī)的機(jī)器人可能在功能上與真人無異，會(huì)思考、判斷、學(xué)習(xí)，能夠提供更貼心的服務(wù)，并代替人從事高智力工作，極大地提高工作效率，促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。但是，未來高智能機(jī)器的發(fā)展和廣泛使用也可能帶來失業(yè)、被誤用等負(fù)面影響，相關(guān)的倫理、風(fēng)險(xiǎn)研究應(yīng)逐步展開，相關(guān)法律法規(guī)也應(yīng)同步完善。

（責(zé)任編輯：吳宇責(zé)任校對(duì)：嵇刊）