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像大脑一样思考:类脑计算机来了

  “春眠不觉晓。”“……处处闻啼鸟……”半月谈记者对着一台名为“Darwin Mouse”的计算机念出唐诗《春晓》脍炙人口的第一句,短暂的停顿后,它居然凭着自己的“记忆”,背完了整首诗。

  这台计算机就是浙江大学联合之江实验室近日发布的我国首台类脑计算机。效仿大脑神经元工作的它,包含了 1.2 亿个脉冲神经元和近千亿个神经突触。这台计算机,有什么了不起的“超能力”?

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  像大脑一样“思考”

  在浙江大学的一间实验室里,3 台 1.6 米高的标准服务器机箱并排而立,黑色外壳内,红色信号灯不断闪烁。

  类脑计算机

  “别看外形和一般电子计算机没什么区别,类脑计算机的内核可是非常不同的。”研究团队负责人、浙江大学计算机科学与技术学院教授潘纲说,这台类脑计算机包含 792 颗浙江大学研制的达尔文 2 代类脑芯片,典型运行功耗只需要 350~500 瓦。

  类脑计算机的芯片模拟的是大脑神经网络的结构与功能机制,在图像、视频、自然语言模糊处理方面优势明显,造出这样的计算机,近来已是计算机科学的竞争前沿。2015 年和 2019 年浙江大学先后研制成功达尔文一代和达尔文二代类脑计算芯片,在此基础上,团队向类脑计算机进军。

  类脑计算机应用演示:嗅觉识别

  “简单说来,大脑神经元的工作机理可以理解为,随着神经元接受输入脉冲,其细胞体的膜电压升高,当达到特定阈值时,会发出一个输出脉冲到轴突,传递到邻近神经元,实现信息的传递。信号来时方启动,没有信号不运行。”项目研究骨干、浙江大学副教授马德说,类脑计算机工作原理提炼自生物神经元的“日常生活”,相较于传统计算机,能耗显著降低,效率大为提升。

  为了让大量神经元高效联动,令杂乱无章的信息流得以有序分配,科研人员还专门研发了达尔文类脑操作系统。目前该系统的功能任务切换时间已达微秒级。

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  颠覆传统的“大块头”

  相较于我们日常使用的小巧轻便的各类电子计算机,今天的类脑计算机还是个“大块头”。但科学家们表示,如果用电子计算机的历史来衡量,类脑计算机现在还处于一切草创的“埃尼阿克”(ENIAC)阶段,随着芯片及其他硬件的不断迭代升级,类脑计算机“减重”指日可待。

  电子计算机传统上仰赖长于数值计算的冯·诺依曼架构,然而,随着摩尔定理逐渐失效,这一架构的局限日益明显。从存储到功耗,以至于智慧水平,有前瞻性的科学家已经看到了它的“瓶颈”。

  研究团队在讨论

  “冯·诺依曼架构中数据储存和计算分离,这就好比信息存储在甲地,要计算的时候却得把信息搬到乙地去,算完了再搬回来。但搬运的速度要远远低于计算的速度,反而让搬运本身成为麻烦。”潘纲说,“存储墙”在大数据时代已让计算机性能提升难于施展,如果要从事人工智能等高耗能计算,计算机还会撞上“功耗墙”。

  在数据成为基础性战略资源,计算能力成为国家综合实力重要量度的当下,计算机发展如何实现颠覆性创新,成为今日各国科学界“兵家必争之地”,借鉴人类大脑,尤其成为探索焦点。美国出资 1 亿美金资助 IBM 和荷美尔(HRL)的研究团队发展拟态神经网络计算;德国海德堡大学等高校积极布局类脑计算机……浙大团队,正在努力追赶上来。

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  类脑计算如何演化?

  如果房间里有一只不请自来的小老鼠,那可是件令人头疼的事。它可能来无影去无踪,偷吃食物不说,还能精准绕过人们设下的陷阱。一台和小鼠大脑神经元运算规模一致的类脑计算机,“智力”能达到什么水平?

  在浙大项目的实验中,类脑计算机展示了多方面的能力,比方说指挥机器人完成“抗洪救灾”模拟任务。在实验现场,半月谈记者看到三台机器人在计算机调度下各司其职,1 号机器人自带摄像头,在场地来回巡逻,一旦发现堤坝缺口,便呼叫负责工程维修的 3 号机器人前来修坝;发现倒在地上的人体模型后,就呼叫负责救援的 2 号机器人……

  类脑计算机演示

  “这几台机器人分别受类脑计算机的不同‘脑区’操控,各自功能并不是固定的。1 号机器人现在干巡逻的活,过一会也可以负责救援或者工程维修。”项目研究骨干、浙江大学副教授李莹说。

  类脑计算机应用演示:意念打字

  “意念打字”、脑电信号实时解码、诊断空气有害成分……“牙牙学语”的类脑计算机种种表现让人眼前一亮。不过,潘纲也指出,目前类脑芯片采用的是简化的神经元模型,而真实大脑神经元的行为和连接方式要复杂得太多。眼下,对科学家来说,大脑还是一个“黑盒子”,很多机理还是未解之谜,从理解脑世界到创造新算法,还有很长的路要走。

  来源:《半月谈》2020 年第 18 期

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