浙大研发出“达尔文”类脑芯片

2016-01-07 19:39:12来源: 中国青年报

    它只有拇指盖大小,皮肤黝黑,躺在浙江大学计算机系一间再普通不过的实验室。

  两个多月前,浙江大学与杭州电子科技大学的研究者把这个小家伙带来。这支研发团队中的大多数都是还没毕业的学生,年龄最小的只有22岁。

  不要小看这群年轻人捣鼓出来的小玩意儿,500万个晶体管藏在它1厘米见方的娇小身躯里,能模拟生物体的2048个神经元、最多400万个神经突触连接。

  “你看到的,其实是一个生物。” 杭州电子科技大学副教授马德说。这是我国第一个支持脉冲神经网络的芯片,一旦信号开始在它的“血管”里流淌,小家伙就能像生物的大脑一样进行思维,并作出反应。

  在正式的“户口簿”上,新来的“年轻人”有个正经的名字,叫“类脑芯片”。年轻的研究者们还给它取了一个昵称“达尔文”。

  “全球最大的显卡制造商用物理学家的名字命名他们的芯片,我们干脆找个生物学家的名字。”团队中最年轻的研究者沈君成笑着说,“就是说我们的芯片也能进化!”

  要突破传统电脑的内存墙,类脑芯片最有前景

  黄灿灿的金属线从达尔文的身体里长出来。黑色的芯片牢牢地嵌在淡蓝色的电路板上,等待被信号唤醒。

  看上去,它与常见的芯片几乎没有区别,但在被新技术晃得眼花缭乱的IT界,它绝对算得上与众不同。

  比起靠晶体管搭建出强大计算能力的计算机,生物大脑的潜能隐藏在数以亿计的神经元中。它们由错综复杂的神经突触连成网络,神经脉冲在其间游走,传递着痛或痒、高兴或悲伤的信号,并将“运算结果“传回大脑“司令部”。

  “生物的大脑没有单独的存储空间,神经网络中数量巨大的神经突触连接构成了生物体的记忆。”马德解释,类脑芯片体内也有生物体一样的神经元网络,它蕴含的巨大能量,或许能在某一天彻底推翻称霸江湖的“前辈”。

  1946年2月15日,依尼亚克诞生,揭开了现代计算机的时代大幕。它身重27吨,一点看不出炫酷的影子。但它骨子里已经有了和当下电子产品相似的“基因”——CPU加工处理数据,内存负责存储。

  70多年的时间里,这种分工明确的基因几乎成了颠扑不破的真理,被一代代计算机传承下来。称之为冯·诺依曼结构。

  日新月异的技术把CPU打造得越来越强大,运算、处理数据的速度增长了1000倍,内存的性能却迟滞不前。

  “就好像把一个现代化工厂建在深山里,空有强大的生产力,原料输送却跟不上,造成严重的产能过剩。”马德告诉中国青年报记者,“很多人都在想办法突破冯·诺依曼架构的内存墙,类脑芯片是看起来最有前景的。”

  这个“前景”不只需要在尽量小的芯片上集成尽可能多的晶体管,还要把这些晶体管用复杂的方式连接起来。

  以人类为例,我们1.36千克重的大脑里包含了数百亿神经元,两两之间的突触连接,数量成百上千。

  靠现有的芯片制造技术,可不轻松。对于加入研究团队的不少学生来讲,类脑芯片和一系列全新的概念,他们之前并不熟悉,可年轻人的热情还是被迅速点燃。

  “科幻小说看多了,觉得这个研究弄出来多牛啊!”坐在浙江大学图书馆空旷的大厅里,沈君成回忆,这位喜爱小说《三体》的博士生觉得,如果芯片足够复杂,或许人的大脑和全部思想就能复制进去,“这样人死后就能通过芯片永生了。”

  他在脑袋里想着“向左”或“向右”,指挥达尔文控球

  刚刚诞生不久的达尔文身上,还看不出那样巨大的能量。课题组成员、浙江大学计算机系硕士研究生徐晓强坐在它面前,等待把它唤醒。其他人围成一圈,屏住呼吸,

  徐晓强只是盯着电脑屏幕,达尔文就感受到他的存在。在看起来简陋的软件界面中,它指挥一只篮球追着目标白球左右运动,或者悬停在球场正中央。

  没有鼠标和键盘,徐晓强在脑袋里想着“向左”或“向右”,发射出脑电波,这是他和达尔文唯一的交流“语言”。

  徐晓强头上套着八爪鱼一样的脑电波接收仪,他一思考,脑电波信号就传回电脑,经过解码、编码,再传给达尔文。晶体管模拟的神经元感受到电子脉冲,通过芯片内负责的突触连接,一个接一个地传递,直到驱动软件让小球动起来。

  “普通计算机芯片基于海量的数据分析作出判断,类脑芯片却可以从复杂的脑电波中找到具体的指令。”浙江大学微电子学院朱晓雷博士解释,“你讲话时,声调会随情绪变化,而它依然能分辨出这是你的声音。它靠的是神经元之间互相传递的小信息。”

  成熟的类脑芯片还有可能长出“眼睛”,像人一样辨别图像。

  2008年以来,IBM花了6年多时间,开发出一款TrueNorth类脑芯片,将4096 个内核、100 万个 “神经元”、2.56 亿个 “突触” 集成在直径只有几厘米的方寸之间。

  传统的芯片要想识别图像,必须把一张完整的图片解析成若干数值后,再进行运算分析。TrueNorth却像生物大脑一样工作,能够实时识别出附近十字路口的人、自行车、公交车、卡车等,准确率达到 80%——相比之下,一台笔记本编程完成同样的任务用时要慢 100 倍,能耗却是它的 1 万倍。

  这个芯片属于对我国禁运的高科技产品,“自主知识产权的研发十分重要”。

  一年半以前,达尔文芯片项目启动时,全球有十多个来自大学和研究所的课题组在进行类似研究。但它们之间交流并不频繁。关于类脑芯片,没有什么被普遍认可的知识。

  与IBM公司上亿元人民币的研究经费相比,孕育达尔文的课题组,目前只得到大约100万元人民币的项目经费,可指导老师和学生,还是把几乎所有精力投入了这个不知是否能够完成的任务。

  达尔文诞生后,课题组修改了一款检测软件,用来测试它的性能。而喜欢打篮球的徐晓强,特意为这个控制物体左右移动的软件,做了一个绿茵茵的篮球场,还把他最喜欢的乔丹图像,围在了球场周围。

  达尔文的“子孙”,能达到昆虫、啮齿动物甚至哺乳动物的大脑能力

  眼下,徐晓强算得上达尔文最熟悉的人。

  几次接触后,达尔文对他发出的脑电波印象最为深刻,徐晓强自己也总结出了规律:“指挥方向时,我想着自己左边或者右边的脑袋上破了一个洞。”

  沈君成也试着和年轻的达尔文交流过,但并不总能成功。“或许是和头发厚薄有关系!”他不服气地想。

  其实,刚刚研制成功的达尔文还只是这个课题组的试验品,幼小的它还不会主动学习,只能靠开发板灌输脑电波信息。

  课题组表示,达尔文和先进的TrueNorth还有一定差距,但算得上“追赶国际先进水平的第一步”。在实验室里,另一块包含了上万个神经元的“达尔文二代”眼看就要完成。他们设想,随着神经元网络越来越复杂,达尔文的“子孙”,能够达到昆虫、啮齿动物甚至哺乳动物的大脑能力。

  从上世纪七八十年代开始,人们就把目光投向仿造生物神经系统的电脑芯片,试图让具有神经网络的电脑芯片像生物一样“深度学习”。

  不管是经常与人聊天的微软小冰,还是最近频频亮相的超级计算机沃森,背后都有人工搭建的神经网络。它们不只能像普通计算机那样给出对的答案,还能更“聪明”地给出基于现有信息的最佳答案。

  2011年,沃森在美国智力竞答电视节目《危险边缘》中,战胜两位实力极强的人类选手,夺得总冠军。后来又穿上了白大褂,在安德森癌症中心当上了助理医生,结合最新研究为病人量身定制最佳诊疗方案。

  但是这些网络需要大量传统计算机来支撑。比方说,谷歌公司的深度学习系统Google Brain 就用了 1000 台各带 16 核处理器的计算机,而参加《危险边缘》的沃森,机器占据了一整间屋子。

  如果论资排辈,如今躺在浙江大学实验室里的这块类脑芯片算得上第3代人工神经网络。

  “从现在的功能来说,达尔文还远远比不上小冰成熟。”80后马德说,“但这就像自然规律一样,年轻人现在比不上成年人,可是长远来看,年轻人总是要胜出的。”

  在不连接的时候,达尔文体内的神经元处于休眠状态,这让它极其省电。作出方向识别的时候,它消耗20毫瓦的功率;而英特尔处理器需要全速度运转,消耗功率是他的几千倍。

  大大降低的功耗,为达尔文腾出了更多施展才能的空间。它不仅有可能被植入眼镜、手环等智能穿戴设备,让人脸识别这样的任务变得更容易。如果功耗能够进一步降低,它还有可能被植入人类或其他生物体内,真正成为大脑的一部分。

  “比如阿尔茨海默病,现在什么药都治不了,但将来说不定植入一个芯片就搞定了!”沈君成兴奋地想。

  这个杭州大男孩儿,已经见到身边有人陷入这种病的困扰,他也早就了解了,这种疾病之所以出现,就是因为大脑里的神经元,“一个接一个地早早死掉”,他想着,如果能植入包含许多神经元、会思考的聪明的达尔文,他们的病说不定就有治了。

  “现在当然还离得比较远。”今年博士二年级的沈君成说,“但是技术发展这么快,谁知道哪一天就真的突破了呢。”

关键字:类脑芯片  达尔文

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/medical_electronics/article_6299.html
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