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像大腦一樣思考:類腦計算機來了

“春眠不覺曉。”“……處處聞啼鳥……”半月談記者對著一台名為“Darwin Mouse”的計算機念出唐詩《春曉》膾炙人口的第一句,短暫的停頓後,它居然憑著自己的“記憶”,背完了整首詩。

這台計算機就是浙江大學聯合之江實驗室近日發布的我國首台類腦計算機。效仿大腦神經元工作的它,包含了1.2億個脈衝神經元和近千億個神經突觸。這台計算機,有什麽了不起的“超能力”?

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像大腦一樣“思考”

在浙江大學的一間實驗室裡,3台1.6米高的標準伺服器機箱並排而立,黑色外殼內,紅色信號燈不斷閃爍。

類腦計算機

“別看外形和一般電子計算機沒什麽區別,類腦計算機的內核可是非常不同的。”研究團隊負責人、浙江大學計算機科學與技術學院教授潘綱說,這台類腦計算機包含792顆浙江大學研製的達爾文2代類腦芯片,典型運行功耗只需要350~500瓦。

類腦計算機的芯片模擬的是大腦神經網絡的結構與功能機制,在圖像、視頻、自然語言模糊處理方面優勢明顯,造出這樣的計算機,近來已是計算機科學的競爭前沿。2015年和2019年浙江大學先後研製成功達爾文一代和達爾文二代類腦計算芯片,在此基礎上,團隊向類腦計算機進軍。

類腦計算機應用演示:嗅覺識別

“簡單說來,大腦神經元的工作機理可以理解為,隨著神經元接受輸入脈衝,其細胞體的膜電壓升高,當達到特定閾值時,會發出一個輸出脈衝到軸突,傳遞到鄰近神經元,實現信息的傳遞。信號來時方啟動,沒有信號不運行。”項目研究骨乾、浙江大學副教授馬德說,類腦計算機工作原理提煉自生物神經元的“日常生活”,相較於傳統計算機,能耗顯著降低,效率大為提升。

為了讓大量神經元高效聯動,令雜亂無章的信息流得以有序分配,科研人員還專門研發了達爾文類腦作業系統。目前該系統的功能任務切換時間已達微秒級。

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顛覆傳統的“大塊頭”

相較於我們日常使用的小巧輕便的各類電子計算機,今天的類腦計算機還是個“大塊頭”。但科學家們表示,如果用電子計算機的歷史來衡量,類腦計算機現在還處於一切草創的“埃尼阿克”(ENIAC)階段,隨著芯片及其他硬體的不斷迭代升級,類腦計算機“減重”指日可待。

電子計算機傳統上仰賴長於數值計算的馮·諾依曼架構,然而,隨著摩爾定理逐漸失效,這一架構的局限日益明顯。從存儲到功耗,以至於智慧水準,有前瞻性的科學家已經看到了它的“瓶頸”。

研究團隊在討論

“馮·諾依曼架構中數據儲存和計算分離,這就好比信息存儲在甲地,要計算的時候卻得把信息搬到乙地去,算完了再搬回來。但搬運的速度要遠遠低於計算的速度,反而讓搬運本身成為麻煩。”潘綱說,“存儲牆”在大數據時代已讓計算機性能提升難於施展,如果要從事人工智能等高耗能計算,計算機還會撞上“功耗牆”。

在數據成為基礎性戰略資源,計算能力成為國家綜合實力重要量度的當下,計算機發展如何實現顛覆性創新,成為今日各國科學界“兵家必爭之地”,借鑒人類大腦,尤其成為探索焦點。美國出資1億美金資助IBM和荷美爾(HRL)的研究團隊發展擬態神經網絡計算;德國海德堡大學等高校積極布局類腦計算機……浙大團隊,正在努力追趕上來。

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類腦計算如何演化?

如果房間裡有一隻不請自來的小老鼠,那可是件令人頭疼的事。它可能來無影去無蹤,偷吃食物不說,還能精準繞過人們設下的陷阱。一台和小鼠大腦神經元運算規模一致的類腦計算機,“智力”能達到什麽水準?

在浙大項目的實驗中,類腦計算機展示了多方面的能力,比方說指揮機器人完成“抗洪救災”模擬任務。在實驗現場,半月談記者看到三台機器人在計算機調度下各司其職,1號機器人自帶攝影頭,在場地來回巡邏,一旦發現堤壩缺口,便呼叫負責工程維修的3號機器人前來修壩;發現倒在地上的人體模型後,就呼叫負責救援的2號機器人……

類腦計算機演示

“這幾台機器人分別受類腦計算機的不同‘腦區’操控,各自功能並不是固定的。1號機器人現在乾巡邏的活,過一會也可以負責救援或者工程維修。”項目研究骨乾、浙江大學副教授李瑩說。

類腦計算機應用演示:意念打字

“意念打字”、腦電信號實時解碼、診斷空氣有害成分……“牙牙學語”的類腦計算機種種表現讓人眼前一亮。不過,潘綱也指出,目前類腦芯片採用的是簡化的神經元模型,而真實大腦神經元的行為和連接方式要複雜得太多。眼下,對科學家來說,大腦還是一個“黑盒子”,很多機理還是未解之謎,從理解腦世界到創造新算法,還有很長的路要走。

來源:《半月談》2020年第18期

作者:朱涵 | 編輯:范鍾秀

責編:張初

校對:楊建楠

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