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IBM研发模拟人脑神经元结构计算机 有望具备人类学习能力

2014-08-12
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IBM研发模拟人脑神经元结构计算机 有望具备人类学习能力
2014-08-11 计算机神经元,计算机模拟神经系统计算机,模拟大脑,IBM,TrueNorth人工智能,IT新浪潮

这是真正意义上的人工智能?上周的《科学》杂志用封面报道的形式,介绍了美国IBM公司新近研发出的一种模拟人脑神经元结构的计算机芯片“TrueNorth”。这一美国国防部资助、康奈尔大学等科研机构参与研发的新型计算机,完全不同于此前所谓的“人工智能”——无论是战胜国际象棋大师的“深蓝”,还是通过了图灵测试的“尤金·古特曼”,都是依靠事先储存大量数据的方式来“伪装”博学,而IBM的新式神经元计算机则从硬件构架上模拟了人类神经系统,有望真正具备人类的学习能力。

当然,在大脑的秘密完全被揭开之前,神经元计算机也不太可能完全模拟人脑。但至少IBM的这一技术是人类首次颠覆传统诺依曼式计算机的计算方式,可望成为个人电脑诞生以来,整个计算机行业最大的一次变革。而且,这一芯片仅用现有的半导体材料和技术就可大规模生产,而且功耗极低,简单的实际应用并不遥远。

IBM研制模拟人脑神经元结构的计算机

IBM研制模拟人脑神经元结构的计算机

模拟神经元突触结构

8月8日的美国《科学》杂志以封面报道的形式介绍,美国IBM和美国康奈尔大学成功开发了一种模拟人类大脑的信息传递机制的SyNAPSE芯片(Systems of Neuromorphic Adaptive Plastic Scalable Electronics,即“自适应可塑型可伸缩电子神经形态系统”)。根据这种技术制造出的芯片从设计理念上就不同于现有计算机使用的半导体芯片,将来可能应用于研发即使没有人类命令也能自己学习,进而解决问题的人工智能。

这款芯片名为“TrueNorth”,能够模拟神经元、突触的功能以及其它脑功能执行计算,由三星电子负责生产,拥有54亿个晶体管,是传统pc处理器的四倍以上。它的核心区域内密密麻麻的挤满了4096个处理核心,产生的效果相当于100万个神经元和2.56亿个突触。目前,ibm已经使用了16块芯片开发了一台神经突触超级计算机。

8月8日出版的《科学》杂志封面

8月8日出版的《科学》杂志封面

到目前为止,绝大多数试图仿真人类大脑的研究都集中在软件层面——这些软件最终的运算还是要由传统计算机用0和1来完成,本质上,它们依然没有摆脱传统计算机结构的束缚。而在今天,蓝色巨人IBM发布的一份研究报告彻底改变了这一现状,IBM研发出了名为“TrueNorth”的神经元芯片,它真正的从“头”开始,完完全全从底层模仿了人脑的结构。

人脑的计算方式和传统计算机完全不同。在人脑中,神经元相当于处理器,一个成年人的大脑至少有数百亿个神经元,每个神经元都与其它神经元相连,它们的连接处被称为突触,突触是人脑的存储器,用计算机术语来说,这是一个极其庞大的分布式计算系统。这种处理器与存储器紧密相连的结构,让人脑内的通信效率非常高。这里的效率并不单指计算速度,还包括对外部信息的感知能力。

人类神经系统的神经元细胞和突触结构

人类神经系统的神经元细胞和突触结构

TrueNorth的4096个核心之间就使用了类似于人脑的结构,每个核心包含了约120万个晶体管,其中负责数据处理和调度的部分只占掉少量晶体管,而大多数晶体管都被用作了数据存储、以及与其它核心沟通方面。在这4096个核心中,每个核心都有自己的本地内存,它们还能通过一种特殊的通讯模式与其它核心快速沟通,其工作方式非常类似于人脑神经元与突触之间的协同,只不过,化学信号在这里变成了电流脉冲。IBM把这种结构称为“神经突触内核架构”。

“不同于传统计算机的冯·诺伊曼架构,我们将处理器(神经元)与内存(突触)紧密结合在一起,能在并行计算中实现更高效的通信。”参与研发的IBM研究人员保罗·梅洛拉在论文里写道。

IBM科学家是怎样把人脑的数学模型抽象成一颗芯片的?图为“TrueNorth”芯片结构

IBM科学家是怎样把人脑的数学模型抽象成一颗芯片的?图为“TrueNorth”芯片结构

超越冯·诺伊曼?

从你每天都会用上的手机,到每秒运算万亿次的超级计算机,目前几乎所有的处理器都依据冯·诺伊曼架构体系开发,在这种体系中,数据的存储和处理是分开进行的,处理器和内存各司其职,程序向计算机发出一组指令,数据此次从硬盘、内存、缓存、处理器寄存器中穿梭而过。

这样的体系最符合人类工业化所带来的生产条件,但它存在一些重大瓶颈——数据的传输路径过于冗长,不同数据组之间的沟通成本高昂,而且整个计算过程非常消耗能源。

IBM开发的“深蓝”超级计算机曾经战胜了国际象棋大师卡斯帕罗夫,但它依靠的并非智力,而是蛮力——击败卡斯帕罗夫的那台“深蓝”拥有90个机架,存储的象棋数据库超过1TB,每秒钟能分析两亿种走法,然后选出最优的那一步。但问题是,这些东西都是由科学家们教给它的,人们事先想好所有对策,“深蓝”只负责按部就班的执行。

“简单说,冯·诺伊曼体系的计算机是一个又快、又笨的东西。事先编好程序,它能每秒完成数亿次计算。但它想不出任何聪明的解题方法。”科学家迈克尔·特罗特(Michael Trott)这样解释人脑与计算机的差异。

从冯·诺伊曼计算机被发明那一天开始,科学家们另辟蹊径、开发其它计算机体系的尝试就从来没有停止过。很多人寄希望于模仿人脑——它是有史以来最复杂、最聪明的机器,TrueNorth的出现让我们离这个梦想又近了一步。

如果研究进展顺利,TrueNorth将是自个人电脑诞生以来,整个计算机行业最大的一次变革——也许,未来的计算机不仅仅只是依靠计算速度和海量数据库进行工作,它们还能真正进行“思考”。

这是IBM开发出的神经元计算机原型,它搭载了16颗TrueNorth芯片

这是IBM开发出的神经元计算机原型,它搭载了16颗TrueNorth芯片

研发阵容豪华

尽管外行人知之甚少,但TrueNorth的研发工作在业内可谓规模巨大,阵容豪华。早在2001年,IBM就宣布该公司正在致力研究新一代智能计算机系统,这种计算机系统以人的神经系统为基本模型,可以称得上是一种全新的智能神经计算机。

为了获得业界和学术界的支持,IBM公司发送了大约七十五万份声明,希望全球各地的业界专家和学者能够支持公司的这项计划。IBM公司还出资进行“自动”技术的研究,“自动”技术能够帮助智能计算机摆脱对人类的依赖,自动对自身的状态进行调节。

2008年初,TrueNorth研究项目获得了美国五角大楼高级计划研究局(DARPA)的5300万美元注资,该局是一个负责互联网开发援助等的美国政府科研援助机构。DARPA认为,IBM的研究有助于突破传统的冯·诺伊曼计算机体系,为未来的计算机模式注入新鲜血液。

该项目还同包括哈佛大学、斯坦福大学、康奈尔大学、麻省理工学院在内的诸多科研机构和高通等商业公司进行了大量的合作。

已具备商用条件

值得一提的是,此次发布的TrueNorth已经是商用版本,它由三星代工生产,完完全全使用市面上现成的半导体技术制成,芯片的主要成分是硅,没有使用任何复杂的材料或生产工艺——换句话说,只要IBM愿意,三星可以像造Galaxy手机一样把它量产出来。

“这是一个非常干净、整洁的架构,他们迈出了正确的一步。”拥有“神经元芯片之父”头衔的加州技术研究所工程师、名誉教授卡佛·米德评价道。

TrueNorth神经元芯片在降低功耗方面同样做出了表率。和人脑一样,TrueNorth的每一个内核都使用了事件驱动设计,也就是说,它不会一直运行,只有在需要的时候才会启动。 这样设计让芯片更加节能,标准处理器每平方厘米的功耗是50到100瓦,而TrueNorth每平方厘米的芯片只会消耗20毫瓦或千分之一瓦的能量。

TrueNorth(左)对比传统处理器(右)的热成像图,很明显,右边要火热得多

TrueNorth(左)对比传统处理器(右)的热成像图,很明显,右边要火热得多

成人大脑的功耗和一只灯泡差不多,却比今天任何一台超级计算机都能更准确地识别语音和图像。参与新架构开发的IBM研究院科学家约翰·阿瑟说:“系统和芯片的架构设计尽可能效仿脑内的神经网络,因为大脑的架构效率非常高。”

IBM已经开发出一台神经元计算机原型,它搭载有16颗TrueNorth芯片。IBM对它进行了一系列测试,结果让人欣喜——“神经突触内核架构”可以像普通处理器一样快速识别图像、区分场景,而消耗的能源要少得多。

在与斯坦福大学合作的一次“模糊逻辑”测试中,用TrueNorth芯片搭建的神经元计算机对人、自行车、轿车、大巴、卡车有80%以上的识别率,更令人欣喜的是,TrueNorth芯片可以用30fps的速度播放高清流媒体视频,而消耗的能源只有63毫瓦!

人脑和计算机功耗对比:横轴是处理器频率,纵轴是处理器每平方厘米所消耗的能源,传统的冯·诺伊曼结构处理器已经在煎鸡蛋(温度过高)的道路上越走越远
人脑和计算机功耗对比:横轴是处理器频率,纵轴是处理器每平方厘米所消耗的能源,传统的冯·诺伊曼结构处理器已经在煎鸡蛋(温度过高)的道路上越走越远

“没有CPU、没有GPU,但我们消耗的能源要低好几个数量级”,测试负责人Dharmendra Modha说道,“它简直就像是为了效率而生的有生命的机器,这是计算机发展史上一个新的里程碑。”

去年9月,在IDEMI国际设计、工程与管理一体化大会上,IBM就公布了TrueNorth一些可能的商业应用场景,包括实时分析环境为盲人导航、与人对话、识别数字、图像等。TrueNorth表现出了初步的“认知计算”能力,它甚至不需要程序员事先“教导”,就能通过自学理解简单的电子游戏规则。

尽管以TrueNorth为基础打造的神经元计算机并没有产生科幻小说那样的自我意识,在人脑之谜真正解开以前,计算机诞生自我意识恐怕也只是一个科学幻想。但由于上述优点,这种芯片的实际应用或许并不遥远。
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本栏目主要介绍科学技术发展方面,包括模拟人脑神经元结构计算机,模拟大脑,IBM,TrueNorth等。特别关注有关人与文化的价值方面的研究,IBM研发模拟人脑神经元结构计算机 有望具备人类学习能力。

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