IBM：用超級計算機模擬人腦

11月13日，IBM宣布了世界上最大的人腦模擬計劃“Compass”，使用了世界排名第二的超級計算機Sequoia Blue Gene/Q和一個全新的、擴展性很強的低功耗計算機架構(gòu)，終于模擬出了與人腦相當(dāng)?shù)?300億個神經(jīng)元和137萬億個神經(jīng)突觸，這一數(shù)字已經(jīng)足以和人類大腦相媲美，向真正意義上的“人工大腦”邁出了重要的一步。

那么，他們是怎樣達成這一成果的呢？來看果殼網(wǎng)的揭密——

認知計算

人腦也許是宇宙中最復(fù)雜的存在了，但同時它又十分節(jié)能。人類的大腦可以同時收集上千個感官信號，并對它們進行判斷、分析，把具體的感知轉(zhuǎn)化為抽象的概念，同時在這一過程中進行學(xué)習(xí)、規(guī)劃和創(chuàng)造。據(jù)IBM估計，以現(xiàn)有的科技水平，建造與人類大腦復(fù)雜度相當(dāng)?shù)挠嬎銠C需要近100兆瓦的能量供應(yīng)，而人類大腦進行這一切活動，只需要區(qū)區(qū)20瓦的功率就夠了。

如此巨大的能量消耗顯然是不現(xiàn)實的。要解決這一問題，我們需要一套全新的思路。IBM提出的方案就是“認知計算”。這一全新的領(lǐng)域凝聚了來自神經(jīng)科學(xué)、納米科技和超級計算機等領(lǐng)域的最新研究成果。

神經(jīng)科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，人類大腦之所以如此的節(jié)能，是因為它是由“事件驅(qū)動”的。簡單的說，神經(jīng)元、神經(jīng)突觸和軸突只在接收到感覺信號或者來自其他神經(jīng)元的信號時才會被激活，而其他時間它們是不消耗能量的。和它們相比，現(xiàn)在的電腦浪費了大量的能源。

從獼猴大腦結(jié)構(gòu)中推導(dǎo)出來的神經(jīng)突觸網(wǎng)絡(luò)

來自IBM的工程師們受到這一原理的啟發(fā)，開發(fā)出了一套新穎的計算架構(gòu)，并用它來模擬數(shù)目與人類大腦相當(dāng)?shù)纳窠?jīng)元與神經(jīng)突觸。從生物學(xué)意義或者功能性上講，這一成果并不是對大腦的準(zhǔn)確模擬。雖然這套系統(tǒng)還無法進行任何傳統(tǒng)意義上的感知、思考與概念形成等活動，但它卻是向這一目標(biāo)邁進的關(guān)鍵一步。

工作原理

研究者們最初是從CoCoMac開始工作的。CoCoMac是一套包含獼猴大腦結(jié)構(gòu)信息的數(shù)據(jù)庫，雖然還不完整，但卻足夠全面。在經(jīng)過了四年對CoCoMac的艱難修補之后，這一團隊最終得到了一套可用的數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上建立起了他們的人工大腦，這一系統(tǒng)的兩個主要組成部分便是神經(jīng)元和神經(jīng)突觸。

神經(jīng)元是計算中心。每個神經(jīng)元可以接收來自多達一萬個相鄰神經(jīng)元的信號，隨后它會處理這些數(shù)據(jù)，并輸出另一個信號。約80%的神經(jīng)元是興奮性的，當(dāng)它們發(fā)出信號時，周圍的神經(jīng)元也會被激活。而剩下的20%的神經(jīng)元則是抑制性的，當(dāng)它們發(fā)出信號時，接收信號的相鄰神經(jīng)元會被抑制。

神經(jīng)突觸的功能是連接不同的神經(jīng)元，記憶與學(xué)習(xí)也隨著神經(jīng)突觸的形成而發(fā)生。每一個突觸都有一個“權(quán)重值”。這個權(quán)重值是由經(jīng)過某一突觸的信號數(shù)量決定的。當(dāng)大量的信號通過某一突觸時，這一突觸的權(quán)重值就會上升，而這臺虛擬大腦就是這樣進行“聯(lián)想學(xué)習(xí)”的。

這套系統(tǒng)的算法會定期檢查一個神經(jīng)元是否在發(fā)出信號。如果它的確在發(fā)出信號，這一神經(jīng)元周圍的突觸的權(quán)重值就會被調(diào)整，而隨后它們會根據(jù)這一新狀態(tài)與其他的神經(jīng)元進行交流。這一算法的關(guān)鍵優(yōu)勢是它不會在大量的突觸上浪費時間與能量，而只在一小部分需要被激活的突觸上花費有限的計算能力。

就像一個真正的大腦一樣，這種計算架構(gòu)是分布式、由事件驅(qū)動的，而且十分節(jié)能。同時，它還可以繞過傳統(tǒng)計算架構(gòu)固有的許多局限。

IBM的終極目標(biāo)是建造一個復(fù)雜度可與人類大腦相媲美、體積又足夠小的計算機，同時它的能量消耗還要在1千瓦左右?，F(xiàn)在，他們已經(jīng)利用世界排名第二的超級電腦Sequoia Blue Gene/Q達成了這一目標(biāo)(當(dāng)然，這距離“便攜”和“節(jié)能”還有很遠的距離)。這臺超級計算機中有超過150萬只處理器內(nèi)核和1.5PB(150萬GB)的內(nèi)存，可以同時運行多達629萬條線程。

為了進一步降低能量消耗，IBM正在構(gòu)建一款全新的定制芯片，被稱作“神經(jīng)突觸核心”(neurosynaptic cores)。這款特制的芯片可以充分激發(fā)新計算架構(gòu)的潛能，并將最終取代現(xiàn)在模擬中使用的超級計算機。

“神經(jīng)突觸核心”芯片結(jié)構(gòu)圖

每個核心都是由“神經(jīng)元”、“突觸”和“軸突”組成的。雖然被如此命名，但這些元件其實并不是模仿生物大腦中的結(jié)構(gòu)而設(shè)計的。它們的設(shè)計目標(biāo)是降低生產(chǎn)成本和提高性能。

應(yīng)用前景

IBM最新設(shè)計的這一架構(gòu)具有極高的并行性，這讓它非常適合處理需要大量數(shù)據(jù)輸入的計算。這和標(biāo)準(zhǔn)的神經(jīng)計算網(wǎng)絡(luò)沒有太大的差別，但新系統(tǒng)的處理性能和能量利用效率卻有了很大的提升。

IBM通過進行這樣的實驗可以進一步了解標(biāo)準(zhǔn)計算架構(gòu)的局限，如在進行大規(guī)模運算時如何平衡存儲、計算和傳輸性能。這項實驗還可以為將來設(shè)計更加節(jié)能、并行程度更高的高性能芯片積累經(jīng)驗。

對于這一新的研究成果，未來的應(yīng)用可能包括更加準(zhǔn)確的天氣預(yù)報，股票市場預(yù)測，可以實時進行診斷的智能病患監(jiān)控系統(tǒng)和性能可以與人類媲美的光學(xué)字符識別和語音識別軟件等等。

至于真正模擬人類大腦，我們?nèi)杂泻荛L的路要走。但至少，科學(xué)家們在不斷取得新的突破。