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    人腦其實(shí)是一個(gè)高效又節(jié)能的器官，用又慢又雜亂的神經(jīng)元，就可以處理一些對(duì)世界上最厲害的超級(jí)計(jì)算機(jī)而言都很棘手的問題：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(jié)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(tǒng)則滿足了這兩點(diǎn)，從而引無(wú)數(shù)英雄競(jìng)折腰。

    美國(guó)斯坦福大學(xué)的科學(xué)家研制出了運(yùn)行速度更快且能效更高的微型芯片，其運(yùn)行速度為傳統(tǒng)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(jī)器人技術(shù)和計(jì)算技術(shù)的發(fā)展并進(jìn)一步提升人類對(duì)自己大腦的理解。例如，能像人腦快速高效運(yùn)行的芯片有望讓機(jī)械義肢擁有健全肢體的復(fù)雜性和反應(yīng)能力。相關(guān)研究發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)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(tuán)隊(duì)研制出的“神經(jīng)網(wǎng)格（Neurogrid）”電路板，由16塊特制的“神經(jīng)內(nèi)核（Neurocore）”芯片組成，每塊芯片上都有超過 65536b 個(gè)“硅神經(jīng)元”，這些神經(jīng)元可以通過80個(gè)參數(shù)進(jìn)行編程，以模擬不同類型的神經(jīng)元。這16塊芯片攜手，能模擬100萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元和數(shù)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(tái)iPad相當(dāng)，功耗為5瓦，僅相當(dāng)于一個(gè)手機(jī)充電器，而其能模擬的神經(jīng)元和突觸比其他大腦模擬設(shè)備多幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

    “神經(jīng)網(wǎng)格”所具備的高速運(yùn)行和低能耗的特征使其成為研究人類大腦的有力工具，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(xiàn)有的傳統(tǒng)技術(shù)都很難模擬。有鑒于此，美國(guó)**衛(wèi)生研究院（NIH）對(duì)這款百萬(wàn)神經(jīng)細(xì)胞模型進(jìn)行了資助。

    現(xiàn)在，Boahen 已經(jīng)著手進(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(shí)的工程師和計(jì)算機(jī)專家也能用其來(lái)解決問題，例如，使用“神經(jīng)網(wǎng)格”控制類人機(jī)器人等。 Boahen 研究團(tuán)隊(duì)正在為殘疾病患研發(fā)能被類似“神經(jīng)內(nèi)核”芯片控制的義肢。

    多款人腦模擬設(shè)備各有千秋

    Boahen 指出，除了他的“神經(jīng)網(wǎng)格”項(xiàng)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。其中包括歐洲的“人腦計(jì)劃”以及美國(guó)的“大腦計(jì)劃”等。“人腦計(jì)劃”旨在用超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬人腦的工作原理；而“大腦計(jì)劃”的主要目的是研發(fā)能閱讀大腦內(nèi)數(shù)百萬(wàn)個(gè)神經(jīng)細(xì)胞的活動(dòng)并寫出這些活動(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(yīng)塑料可微縮電子系統(tǒng)（ SyNAPSE ）”項(xiàng)目。 SyNAPSE 芯片為硅芯片，其架構(gòu)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(shù)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(tǒng)中進(jìn)一步增加神經(jīng)元的數(shù)量。

    而由德國(guó)海德堡大學(xué)基爾霍夫物理研究所主導(dǎo)的“大腦規(guī)模（BrainScales）”計(jì)劃的目標(biāo)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(shù)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(tǒng)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(dǎo)致不同系統(tǒng)擁有不同的功能，表現(xiàn)也各不相同。

    Boahen 還制造了一個(gè)度量單位來(lái)計(jì)算所有這些系統(tǒng)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(jié)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(xiàn)了 Boahen 的初衷——制造出一款人們能負(fù)擔(dān)得起且能廣泛應(yīng)用于各個(gè)研究領(lǐng)域的系統(tǒng)。

    降低成本為當(dāng)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(xiàn)代化的制造過程并大批量制造這種芯片，他能將每個(gè)“神經(jīng)內(nèi)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(jī)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(yùn)行的芯片能讓義肢擁有健全肢體所具有的復(fù)雜性和反應(yīng)速度。 Boahen 預(yù)見，未來(lái)，一塊類似“神經(jīng)內(nèi)核”的芯片能被植入殘疾人的大腦中，解釋人類的運(yùn)動(dòng)并將其翻譯成命令，指揮義肢。

    目前，在 Boahen 的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，“神經(jīng)網(wǎng)格”正在對(duì)一個(gè)小型義肢進(jìn)行控制，讓其實(shí)時(shí)執(zhí)行運(yùn)動(dòng)命令。現(xiàn)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(jié)非常簡(jiǎn)單，這很有可能是未來(lái)機(jī)器義肢的雛形。

    當(dāng)然，所有這些神經(jīng)形態(tài)學(xué)系統(tǒng)，都無(wú)法與人腦的復(fù)雜性和高效性相比。 Boahen 強(qiáng)調(diào)稱，盡管“神經(jīng)網(wǎng)格”的能效約為一臺(tái)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(nèi)神經(jīng)元的數(shù)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(zhàn)就是，規(guī)模和能效兩不誤，也就是說(shuō)，達(dá)到人腦能效的同時(shí)，提供更好的可配置性和規(guī)模。”