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    人腦其實(shí)是一個(gè)高效又節能的器官，用又慢又雜亂的神經(jīng)元，就可以處理一些對世界上最厲害的超級計算機而言都很棘手的問(wèn)題：理解語(yǔ)言、抽象思考還有控制動(dòng)作等。而這個(gè)比鞋盒還小的人腦，只用了比家里電燈泡還少的能量。

    人腦的這種高效和節能一方面給予科學(xué)家靈感，另外一方面也吸引了科學(xué)家進(jìn)一步探究其秘密的欲望，而模擬人腦的芯片或系統則滿(mǎn)足了這兩點(diǎn)，從而引無(wú)數英雄競折腰。

    美國斯坦福大學(xué)的科學(xué)家研制出了運行速度更快且能效更高的微型芯片，其運行速度為傳統個(gè)人電腦（PC）的 9000 倍且能耗低很多。科學(xué)家們表示，最新研究有望大力推動(dòng)機器人技術(shù)和計算技術(shù)的發(fā)展并進(jìn)一步提升人類(lèi)對自己大腦的理解。例如，能像人腦快速高效運行的芯片有望讓機械義肢擁有健全肢體的復雜性和反應能力。相關(guān)研究發(fā)表在國際頂級期刊《電氣與電子工程師協(xié)會(huì )會(huì )刊》上。

    “神經(jīng)網(wǎng)格”或能操控義肢

    斯坦福大學(xué)生物工程副教授 Kwabena Boahen 研究團隊研制出的“神經(jīng)網(wǎng)格（Neurogrid）”電路板，由16塊特制的“神經(jīng)內核（Neurocore）”芯片組成，每塊芯片上都有超過(guò) 65536b 個(gè)“硅神經(jīng)元”，這些神經(jīng)元可以通過(guò)80個(gè)參數進(jìn)行編程，以模擬不同類(lèi)型的神經(jīng)元。這16塊芯片攜手，能模擬100萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元和數十億個(gè)突觸連接。它模擬人腦1秒鐘的活動(dòng)，僅需要1秒鐘。“神經(jīng)網(wǎng)格”的大小與一臺iPad相當，功耗為5瓦，僅相當于一個(gè)手機充電器，而其能模擬的神經(jīng)元和突觸比其他大腦模擬設備多幾個(gè)數量級。

    “神經(jīng)網(wǎng)格”所具備的高速運行和低能耗的特征使其成為研究人類(lèi)大腦的有力工具，除了了解大腦的正常活動(dòng)，它還可以研究大腦疾病，例如自閉癥、精神分裂等，這些疾病用現有的傳統技術(shù)都很難模擬。有鑒于此，美國**衛生研究院（NIH）對這款百萬(wàn)神經(jīng)細胞模型進(jìn)行了資助。

    現在，Boahen 已經(jīng)著(zhù)手進(jìn)行下一步的研究——降低成本并制造編譯軟件。編譯軟件能使不具備神經(jīng)科學(xué)知識的工程師和計算機專(zhuān)家也能用其來(lái)解決問(wèn)題，例如，使用“神經(jīng)網(wǎng)格”控制類(lèi)人機器人等。 Boahen 研究團隊正在為殘疾病患研發(fā)能被類(lèi)似“神經(jīng)內核”芯片控制的義肢。

    多款人腦模擬設備各有千秋

    Boahen 指出，除了他的“神經(jīng)網(wǎng)格”項目外，還有多個(gè)大型的神經(jīng)形態(tài)學(xué)方面的研究，正如火如荼地進(jìn)行著(zhù)。其中包括歐洲的“人腦計劃”以及美國的“大腦計劃”等。“人腦計劃”旨在用超級計算機模擬人腦的工作原理；而“大腦計劃”的主要目的是研發(fā)能閱讀大腦內數百萬(wàn)個(gè)神經(jīng)細胞的活動(dòng)并寫(xiě)出這些活動(dòng)的模式的新型工具。

    另外，還有IBM公司的“神經(jīng)形態(tài)自適應塑料可微縮電子系統（ SyNAPSE ）”項目。 SyNAPSE 芯片為硅芯片，其架構從人腦的功能、省電性及緊湊性獲得靈感。最新的 SyNAPSE 芯片集成了 256 個(gè)數字神經(jīng)元，每個(gè)神經(jīng)元配備1024條突觸回路，IBM公司希望能在系統中進(jìn)一步增加神經(jīng)元的數量。

    而由德國海德堡大學(xué)基爾霍夫物理研究所主導的“大腦規模（BrainScales）”計劃的目標是研制出邏輯芯片來(lái)模擬神經(jīng)元和突觸的行為。他們研制出的“高輸入數模擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )（ HICANN ）”能模擬藥物之間的相互作用。目前， HICANN 系統能模擬 512 個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)，每個(gè)神經(jīng)元配備 224 個(gè)突回路。

    這些研究各有千秋，也采用了不同的技術(shù)手段，例如，讓每個(gè)硬件電路模擬單個(gè)神經(jīng)單元（單個(gè)突觸）還是幾個(gè)神經(jīng)單元（通過(guò)兩次激活硬件電路來(lái)模擬兩個(gè)活動(dòng)突觸的影響）等，這就導致不同系統擁有不同的功能，表現也各不相同。

    Boahen 還制造了一個(gè)度量單位來(lái)計算所有這些系統的成本，包括芯片大小、它能模擬多少神經(jīng)元以及能耗等，結果表明，“神經(jīng)網(wǎng)格”是最合算的神經(jīng)元模擬方式，實(shí)現了 Boahen 的初衷——制造出一款人們能負擔得起且能廣泛應用于各個(gè)研究領(lǐng)域的系統。

    降低成本為當務(wù)之急

    盡管如此，仍然有很多工作要做，最重要的就是降低成本。目前，“神經(jīng)網(wǎng)格”電路板上每塊芯片的成本約為4萬(wàn)美元。 Boahen 相信，使用現代化的制造過(guò)程并大批量制造這種芯片，他能將每個(gè)“神經(jīng)內核”的成本降低100倍；更廉價(jià)的硬件和編譯軟件則可以降低芯片的配置成本，如此一來(lái)，就能大大降低“神經(jīng)網(wǎng)格”的成本，讓其有機會(huì )在多個(gè)領(lǐng)域大展拳腳。

    例如，像人腦一樣高速有效運行的芯片能讓義肢擁有健全肢體所具有的復雜性和反應速度。 Boahen 預見(jiàn)，未來(lái)，一塊類(lèi)似“神經(jīng)內核”的芯片能被植入殘疾人的大腦中，解釋人類(lèi)的運動(dòng)并將其翻譯成命令，指揮義肢。

    目前，在 Boahen 的實(shí)驗室內，“神經(jīng)網(wǎng)格”正在對一個(gè)小型義肢進(jìn)行控制，讓其實(shí)時(shí)執行運動(dòng)命令。現在看來(lái)，這款小型義肢并不起眼，但它的操作桿杠和關(guān)節非常簡(jiǎn)單，這很有可能是未來(lái)機器義肢的雛形。

    當然，所有這些神經(jīng)形態(tài)學(xué)系統，都無(wú)法與人腦的復雜性和高效性相比。 Boahen 強調稱(chēng)，盡管“神經(jīng)網(wǎng)格”的能效約為一臺模擬100萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元的個(gè)人電腦的10萬(wàn)倍，但仍然無(wú)法與我們的大腦相匹敵。

    Boahen 表示:“人腦內神經(jīng)元的數量是‘神經(jīng)網(wǎng)格’的8萬(wàn)倍，耗能僅為其三倍。神經(jīng)形態(tài)學(xué)領(lǐng)域的工程師們面臨的終極挑戰就是，規模和能效兩不誤，也就是說(shuō)，達到人腦能效的同時(shí)，提供更好的可配置性和規模。”