破天荒革命：電腦“變身”人腦

提要：“電子大腦”所依賴的是學(xué)習(xí)功能而不是編程，它通過(guò)納米級(jí)低能耗類突觸器件等技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)模擬人腦的微型電路功能

近年來(lái)，美國(guó)IBM公司聯(lián)合了來(lái)自康奈爾大學(xué)、威斯康星大學(xué)、加利福尼亞大學(xué)、哥倫比亞大學(xué)和政府研究機(jī)構(gòu)的上百位研究人員，開(kāi)展了一項(xiàng)意義非凡的認(rèn)知計(jì)算機(jī)項(xiàng)目。這一項(xiàng)被稱為“電子大腦”的計(jì)劃將創(chuàng)建一種與傳統(tǒng)智能計(jì)算機(jī)完全不同的電腦系統(tǒng)，該系統(tǒng)有望模擬并效仿人腦的感覺(jué)、觀念、行為、互動(dòng)以及認(rèn)知等能力。那么，不久的將來(lái)電腦真的可以“替代”人腦嗎？雄心勃勃的科學(xué)家表示，在《危險(xiǎn)邊緣》智力競(jìng)答節(jié)目中超級(jí)電腦“沃森”已經(jīng)打敗所有選手，便足以證明創(chuàng)造一種能夠與人類大腦相比擬的智能機(jī)器并非是一件不可完成的事，而實(shí)現(xiàn)這個(gè)劃時(shí)代偉大夢(mèng)想的主角就是擬人化的“電子大腦”。

“電子大腦”的奧秘何在

科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，人類擁有思維、記憶和感覺(jué)等功能都是通過(guò)大腦中的神經(jīng)元、軸突和突觸等實(shí)現(xiàn)的，腦細(xì)胞不僅相互之間的連接十分靠近，而且分工也不像電腦組件那么明確，人類大腦將記憶和存儲(chǔ)等功能整合成為一體。因此，任何特定腦組織中的活動(dòng)都是由相鄰組織的活動(dòng)刺激而產(chǎn)生的，它的運(yùn)行是由事件來(lái)驅(qū)動(dòng)的。也就是說(shuō)，大腦是由一個(gè)思維活動(dòng)刺激而產(chǎn)生另一個(gè)思維活動(dòng)的，其方式就像是一個(gè)大規(guī)模并行分布式處理器，不同的是它擁有一個(gè)可重構(gòu)、可容錯(cuò)的學(xué)習(xí)機(jī)制，并且擅長(zhǎng)于模式識(shí)別和關(guān)系梳理。而對(duì)于當(dāng)今的電腦而言，不僅它的存儲(chǔ)和處理是相互分離的，而且處理器、通信鏈路和存儲(chǔ)器等組件的運(yùn)行必須依靠預(yù)先編制的程序，并由一個(gè)時(shí)鐘控制依次進(jìn)行。這個(gè)時(shí)鐘就像是一個(gè)樂(lè)隊(duì)的指揮，它將每一個(gè)指令和每一份數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)到下一個(gè)位置，去執(zhí)行預(yù)定義的算法以及分析工作。因此，傳統(tǒng)電腦的組織結(jié)構(gòu)決定了它無(wú)法擁有像人類大腦那樣強(qiáng)大的思維、認(rèn)知和學(xué)習(xí)功能。

然而，對(duì)于科學(xué)家提出的“電子大腦”而言，其結(jié)構(gòu)及概念與目前的商用電腦完全不同，不僅它的存儲(chǔ)器與處理器組件被緊密地結(jié)合在一起，而且它沒(méi)有時(shí)鐘，其運(yùn)行操作是不同步的，純粹是依據(jù)事件來(lái)驅(qū)動(dòng)的。也就是說(shuō)，“電子大腦”沒(méi)有預(yù)定的次序或時(shí)間表，它們運(yùn)行所依賴的是學(xué)習(xí)功能而不是編程，這就像人類的大腦一樣。為此，人們將這一全新的領(lǐng)域稱為認(rèn)知計(jì)算，它將涉及突觸電子學(xué)、材料科學(xué)、神經(jīng)形態(tài)電路系統(tǒng)、超級(jí)計(jì)算模擬以及虛擬環(huán)境等新興學(xué)科，通過(guò)納米級(jí)低能耗類突觸器件等技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)模擬人腦的微型電路功能，使“電子大腦”達(dá)到人類的智能水平。

芯片尺寸成為關(guān)鍵技術(shù)

2011年8月，美國(guó)IBM公司科學(xué)家成功研制出了一種“認(rèn)知計(jì)算芯片”，并利用它們組成了一個(gè)“小型人腦”的認(rèn)知硬件模型，為探索人類大腦運(yùn)算功能邁出了堅(jiān)實(shí)的第一步。該“小型人腦”由256個(gè)神經(jīng)元、26.2萬(wàn)個(gè)可編程突觸和6.5萬(wàn)個(gè)學(xué)習(xí)突觸所組成。由于它們無(wú)需預(yù)先準(zhǔn)備程序就可以運(yùn)行，從而能夠?qū)崿F(xiàn)分散處理及并行處理等人腦功能。試驗(yàn)結(jié)果表明，這個(gè)“小型人腦”不但可以實(shí)現(xiàn)空間導(dǎo)航、機(jī)器視覺(jué)、模式識(shí)別以及聯(lián)想記憶等擬人化功能，它還有一個(gè)“心靈之眼”，能辨別出事物背后的狀況，并依據(jù)獲得的證據(jù)自行生成假設(shè)或判斷。

然而，科學(xué)家也表示，電腦人工智能化的設(shè)想實(shí)際上已經(jīng)經(jīng)歷了一段很長(zhǎng)的時(shí)間，它之所以至今尚未能夠完全實(shí)現(xiàn)，其關(guān)鍵是來(lái)自人類大腦超小體積和超低能耗的挑戰(zhàn)。也就是說(shuō)，人們必須開(kāi)發(fā)出納米級(jí)的類大腦突觸、神經(jīng)元等電子器件，并利用它們構(gòu)成真正的擬人化電腦，以便通過(guò)多種渠道和感應(yīng)器來(lái)搜集信息，在真實(shí)環(huán)境中行使認(rèn)知行為能力，最終解決復(fù)雜問(wèn)題?？茖W(xué)家指出，構(gòu)筑“電子大腦”的電子芯片的電路寬度要縮小到7納米以下，才能使擁有數(shù)百億個(gè)神經(jīng)元和數(shù)百萬(wàn)億個(gè)突觸的“電子大腦”體積與人腦相當(dāng)。然而，這并非是一件容易的事，因?yàn)榧{米是一個(gè)十分微小的計(jì)量單位，一根人類頭發(fā)的直徑就相當(dāng)于80000納米，而目前即使采用最先進(jìn)的工藝技術(shù)，電子芯片的電路寬度也只能達(dá)到22納米?？茖W(xué)家預(yù)測(cè)，尚需要若干年的時(shí)間，電子芯片的電路寬度才有望從14納米、10納米最終達(dá)到7納米。

“電子大腦”的能源消耗也是一個(gè)重要的制約因素。例如，打敗人類的超級(jí)電腦“沃森”的功率高達(dá)85千瓦，而人腦的功率僅有0.02千瓦。因此，具有認(rèn)知功能的“電子大腦”如何提高其運(yùn)行效率并節(jié)能是一項(xiàng)十分艱巨的任務(wù)。目前，科學(xué)家正在試圖采用不儲(chǔ)存臨時(shí)性結(jié)果（即取消“緩存”）等手段來(lái)降低能耗，期望將“電子大腦”的功率降至1千瓦左右。

“電子大腦”的5種感官

科學(xué)家向人們描繪了一幅“電子大腦”的誘人藍(lán)圖，他們堅(jiān)信今后的電腦可以像人類一樣擁有觸覺(jué)、視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、味覺(jué)和嗅覺(jué)等5種感覺(jué)，并據(jù)此進(jìn)行思考和判斷，幫助人們處理各式各樣的問(wèn)題。

“電子大腦”可以通過(guò)平板電腦觸摸屏等非語(yǔ)言的方式進(jìn)行溝通，讓人們體驗(yàn)到觸摸對(duì)象的感覺(jué)。例如，當(dāng)你在屏幕虛擬鍵盤上打字時(shí)，就能感覺(jué)到按鍵的存在；當(dāng)你登錄購(gòu)物網(wǎng)站挑選一件毛衣時(shí)，你可以在屏幕觸摸到毛衣的質(zhì)地、紋理和柔軟度等，就像在實(shí)體店里購(gòu)衣一樣。

“電子大腦”的視覺(jué)能力將會(huì)有一個(gè)質(zhì)的飛躍，它可以完全拋棄條形碼、二維碼等常用的識(shí)別標(biāo)簽，直接識(shí)別各種圖片，并讀懂它們的內(nèi)容和含義。例如，“電子大腦”可以幫助醫(yī)生分析X射線片等醫(yī)學(xué)影像。

“電子大腦”將擁有非凡的聽(tīng)覺(jué)，它不僅能聽(tīng)懂人類說(shuō)話的內(nèi)容，而且對(duì)于聲壓、振動(dòng)以及波動(dòng)也具有十分敏銳的洞察力。例如，當(dāng)它聽(tīng)到列車?guó)Q笛聲或感覺(jué)到鋼軌振動(dòng)時(shí)，便能判斷出列車正在駛來(lái)，并最終做出遠(yuǎn)離軌道的選擇；它可以辨別出山體、隧道等所產(chǎn)生的異常動(dòng)靜，并精確地做出山體滑坡、隧道坍塌等預(yù)警判斷。

“電子大腦”的味覺(jué)更是妙不可言，它所配備的虛擬味蕾功能甚至可以計(jì)算出食物的各種味道。例如，在“電子大腦”面前放置同為白色的一盒鹽和一盒糖，它無(wú)需進(jìn)行復(fù)雜的化學(xué)分析，而是通過(guò)“嘗”味道，便能準(zhǔn)確地區(qū)分出鹽和糖。這對(duì)廚師改善食譜或者發(fā)明新菜系無(wú)疑是個(gè)得力幫手。

“電子大腦”的嗅覺(jué)也是一項(xiàng)令人刮目相看的本領(lǐng)。它的工作原理類似用于檢測(cè)是否酒后駕車的酒精呼氣測(cè)試儀，但它所配置的感應(yīng)器功能與酒精呼氣測(cè)試儀相比是不可同日而語(yǔ)的。例如，你只要對(duì)著“電子大腦”哈上一口氣，它便能對(duì)你的健康狀況做出判斷，它的敏銳嗅覺(jué)能依據(jù)氣息來(lái)診斷你是否患了某種疾病。這種通過(guò)檢查人體分子生物標(biāo)記的嗅覺(jué)功能將會(huì)成為未來(lái)疾病診斷的新方式。（來(lái)源：《科學(xué)畫(huà)報(bào)》2013年第4期）

（本文作者劉嶸為中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院視覺(jué)研究實(shí)驗(yàn)室博士研究生）