神經(jīng)形態(tài)芯片：仿生學(xué)的驅(qū)動(dòng)力

　　《麻省理工科技評(píng)論》(MIT Technology Review)近期刊出了“2014十大突破性科學(xué)技術(shù)”的文章，神經(jīng)形態(tài)芯片(Neuromorphic Chips)名列其中。本文就這一技術(shù)進(jìn)行簡要分析。

　　1946年美籍匈牙利科學(xué)家馮·諾依曼提出存儲(chǔ)程序原理，把程序本身當(dāng)作數(shù)據(jù)來對(duì)待。此后的半個(gè)多世紀(jì)以來，計(jì)算機(jī)的發(fā)展取得了巨大的進(jìn)步，但“馮·諾依曼架構(gòu)”中信息存儲(chǔ)器和處理器的設(shè)計(jì)一直沿用至今，連接存儲(chǔ)器和處理器的信息傳遞通道仍然通過總線來實(shí)現(xiàn)。隨著處理的數(shù)據(jù)量海量地增長，總線有限的數(shù)據(jù)傳輸速率被稱為“馮·諾依曼瓶頸”——尤其是移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、社交網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、高通量測序等的興起，使得“馮·諾依曼瓶頸”日益突出，而計(jì)算機(jī)的自我糾錯(cuò)能力缺失的局限性也已成為發(fā)展障礙。

　　結(jié)構(gòu)上的缺陷也導(dǎo)致功能上的局限。例如，從效率上看，計(jì)算機(jī)運(yùn)算的功耗較高——盡管人腦處理的信息量不比計(jì)算機(jī)少，但顯然而功耗低得多。為此，學(xué)習(xí)更多層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，讓計(jì)算機(jī)能夠更好地模擬人腦功能，成為上世紀(jì)后期以來研究的熱點(diǎn)[如微軟研究院的“深度學(xué)習(xí)(或深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，DNN)”]。

　　在這些研究中，核心的研究是“馮·諾依曼架構(gòu)”與“人腦架構(gòu)”的本質(zhì)結(jié)構(gòu)區(qū)別——與計(jì)算機(jī)相比，人腦的信息存儲(chǔ)和處理，通過突觸這一基本單元來實(shí)現(xiàn)，因而沒有明顯的界限。正是人腦中的千萬億個(gè)突觸的可塑性——各種因素和各種條件經(jīng)過一定的時(shí)間作用后引起的神經(jīng)變化(可變性、可修飾性等)，使得人腦的記憶和學(xué)習(xí)功能得以實(shí)現(xiàn)。

　　2 神經(jīng)形態(tài)芯片的發(fā)展簡史

　　因此，模仿人類大腦的理解、行動(dòng)和認(rèn)知能力，就成為重要的仿生研究目標(biāo)。1990 年，加州理工學(xué)院名譽(yù)教授Carver Mead給出了神經(jīng)形態(tài)芯片的定義——“模擬芯片不同于只有二進(jìn)制結(jié)果(開/關(guān))的數(shù)字芯片，可以像現(xiàn)實(shí)世界一樣得出各種不同的結(jié)果，可以模擬人腦神經(jīng)元和突觸的電子活動(dòng)。”然而，Carver Mead本人并沒有完成模擬芯片的設(shè)計(jì)。

　　此后，Audience公司出于對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)性和可塑性、容錯(cuò)、免編程、低能耗等特征進(jìn)行了研究，研發(fā)出基于人的耳蝸而設(shè)計(jì)的神經(jīng)形態(tài)芯片，可以模擬人耳抑制噪音，應(yīng)用于智能手機(jī)。Audience公司也由此成為行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的語音處理芯片公司。

　　IBM公司在1956 年創(chuàng)建第一臺(tái)人腦模擬器(512 個(gè)神經(jīng)元)以來，就一直在從事對(duì)類人腦計(jì)算機(jī)的研究，模仿了突觸的線路組成、基于龐大的類神經(jīng)系統(tǒng)群開發(fā)神經(jīng)形態(tài)芯片也就自然而然地進(jìn)入了其視野。其中，IBM第一代神經(jīng)突觸(neurosynaptic)芯片用于“認(rèn)知計(jì)算機(jī)”的開發(fā)——盡管“認(rèn)知計(jì)算機(jī)”無法像傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)一樣進(jìn)行編程，但可以通過積累經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行學(xué)習(xí)，發(fā)現(xiàn)事物之間的相互聯(lián)系，模擬大腦結(jié)構(gòu)和突觸可塑性。在美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)的資助下，IBM的“自適應(yīng)可變神經(jīng)可塑可擴(kuò)展電子設(shè)備系統(tǒng)”項(xiàng)目(SyNAPSE) 第二階段項(xiàng)目則致力于創(chuàng)造既能同時(shí)處理多源信息又能根據(jù)環(huán)境不斷自我更新的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)神經(jīng)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)性和可塑性、容錯(cuò)、免編程、低能耗等特征。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Dharmendra Modha認(rèn)為，神經(jīng)芯片將是計(jì)算機(jī)進(jìn)化史上的又一座里程碑。

　　IBM的新芯片架構(gòu)沒有固定的編程，把內(nèi)存與處理器集成在一起，模仿大腦的事件驅(qū)動(dòng)、分布式和并行處理方式。從目前來看，盡管神經(jīng)形態(tài)芯片的能力還遠(yuǎn)不及人腦(IBM 2012年開發(fā)的模擬人腦的超級(jí)計(jì)算機(jī)已可模擬出相當(dāng)于5千億神經(jīng)元以及137億神經(jīng)突觸的計(jì)算架構(gòu)系統(tǒng)，但系統(tǒng)的運(yùn)行速度相比于人腦要慢1 542倍)，但與傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)相比，其在處理感官數(shù)據(jù)、學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)變化的能力方面優(yōu)勢明顯。根據(jù)計(jì)劃，2019年IBM將會(huì)利用88萬CPU，研制出與人腦速度相當(dāng)?shù)哪M人腦系統(tǒng)。

　　在IBM以前，瑞士的蘇黎世大學(xué)和蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院等已經(jīng)做了較長時(shí)間的神經(jīng)形態(tài)芯片研究，但采用的主要是模擬電路或數(shù)字/模擬混合電路。但是，模擬電路易受漏電流的影響，從而帶來噪聲過大等問題，因而性能上并未最優(yōu)化。IBM的做法，則是采用了數(shù)字電路，解決這一問題。除了IBM外，HRL實(shí)驗(yàn)室、高通公司等也做了較多的神經(jīng)形態(tài)芯片開發(fā)，其中高通公司的芯片預(yù)計(jì)會(huì)在2015年上市。

　　3 仿生模擬的應(yīng)用

　　模擬人腦系統(tǒng)的開發(fā)，就必須要以神經(jīng)形態(tài)芯片作為基礎(chǔ)支撐。人腦啟發(fā)軟件公司 Numenta創(chuàng)始人Jeff Hawkins曾評(píng)論，“人工智能絕對(duì)不能靠軟件來實(shí)現(xiàn)，需要用芯片來完成。”“零項(xiàng)目”工程師 M. Anthony Lewis則認(rèn)為，“即便還是以數(shù)字的形式來完成，我們已經(jīng)可以復(fù)制大腦的很多行為。”

　　有了神經(jīng)突觸運(yùn)算芯片外，部分程度地再現(xiàn)生物系統(tǒng)中神經(jīng)元和神經(jīng)突觸的運(yùn)作模式，尋找對(duì)象之間的關(guān)聯(lián)性，提出假設(shè)，進(jìn)行記憶和學(xué)習(xí)等都成為了可能，使得芯片在很大程度上實(shí)現(xiàn)過去幾十年來的人工智能領(lǐng)域開發(fā)的功能。例如，基于神經(jīng)形態(tài)芯片的智能傳感器和設(shè)備，可用于病情的智能監(jiān)測，從而使得健康監(jiān)測系統(tǒng)可以監(jiān)測生命體征，及早發(fā)現(xiàn)潛在的風(fēng)險(xiǎn)，為病人提供個(gè)性化的治療手段。在面部識(shí)別等涉及圖像、聲音和其他感官數(shù)據(jù)的處理領(lǐng)域，通過智能終端來關(guān)注用戶的行為和環(huán)境，學(xué)習(xí)用戶的習(xí)慣，也成為可能。對(duì)此，高通公司的技術(shù)總監(jiān)Matthew Grob曾評(píng)論，“我們正在模糊芯片和生物系統(tǒng)之間的隔閡。”事實(shí)上，HRL實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)計(jì)劃測試將神經(jīng)形態(tài)芯片植入到鳥類中，由芯片處理來自攝像機(jī)和其他傳感器的數(shù)據(jù)，能記住飛過的房間，學(xué)會(huì)導(dǎo)航。