“仿真腦”能為我們做什么？

米糯牛

人腦那自傲、強(qiáng)大而又神秘?zé)o比的信息處理功能一直令人癡迷。就在最近半年里，“造腦行動”又有了新的進(jìn)展：IBM和Qualcomm兩大巨頭先后發(fā)布了基于神經(jīng)擬態(tài)技術(shù)的“腦芯片”。

IBM的SyNAPSE芯片號稱模擬了一百萬個神經(jīng)元細(xì)胞和超過兩億個神經(jīng)突觸連接，初具人工大腦的規(guī)模。Qualcomm公司4月公布的Zeroth芯片也在硅片上高效地模擬了腦神經(jīng)元，裝載了該芯片的機(jī)器小車還能運(yùn)用“受到人腦啟發(fā)的算法”完成尋路、躲避障礙等任務(wù)。不過，仿真腦的時代真的要來臨了嗎？其實我們不止存在著技術(shù)上的巨大困難，連制造仿真腦的目標(biāo)也是一個值得思考的問題。

機(jī)械化任務(wù)：人腦模式?jīng)]市場

當(dāng)今流行的電子設(shè)備和人腦在形態(tài)上沒有半點(diǎn)相似，在計算原理上也基本不搭界，然而這些電子設(shè)備在相當(dāng)一部分任務(wù)中卻表現(xiàn)得相當(dāng)出色。這些任務(wù)包括設(shè)備控制、大規(guī)模批量處理、長時間重復(fù)作業(yè)等等。無論是在自動化生產(chǎn)的車間里，或是運(yùn)營上千臺網(wǎng)絡(luò)計算機(jī)的“服務(wù)器農(nóng)場”里，甚至在更加新潮的無人管理的大型倉庫里，那些原來由“人腦+人肉”完成的任務(wù)現(xiàn)在都已經(jīng)轉(zhuǎn)交給了機(jī)電設(shè)備，它們的高效、精確和可靠已經(jīng)達(dá)到了令人腦難以企及的高度。而相比之下，探索、學(xué)習(xí)和適應(yīng)環(huán)境才是人腦真正有優(yōu)勢的領(lǐng)域。

學(xué)習(xí)創(chuàng)造：人腦模式也未必更好

然而，在學(xué)習(xí)和創(chuàng)造領(lǐng)域，模仿人腦模式也未必比現(xiàn)有的計算機(jī)技術(shù)更有優(yōu)勢。很多原本被認(rèn)為是人腦獨(dú)霸的工作，譬如人臉識別、國際象棋、音樂創(chuàng)作等等，現(xiàn)在也慢慢出現(xiàn)了被電腦取代的苗頭。而完成這些任務(wù)的電腦，也并沒有采取人腦的信息處理模式。為什么諸如探索、學(xué)習(xí)、創(chuàng)造這樣本應(yīng)由人腦固守的領(lǐng)地也會被攻破？這要追溯到人腦的一個底層缺陷—記憶能力不足。

大腦的基本構(gòu)成細(xì)胞是神經(jīng)元細(xì)胞，這種細(xì)胞可以組成高效的信息網(wǎng)絡(luò)，但它并不是很好的記憶元件。神經(jīng)元細(xì)胞從功能上來說像是一個傳聲筒，你這頭傳話進(jìn)去，它在另一頭變個聲音傳話出來。這種結(jié)構(gòu)能夠迅速完成一些信號變換，但是卻不適用于長期儲存信息。相比之下，電子元件或者磁性元件能夠長期保持在“電位高”“電位低”或者“磁極南”“磁極北”的狀態(tài)，信息一旦寫入就很久不會遺忘。除此以外，電磁元件的狀態(tài)只要通過簡單的操作就能在幾微秒內(nèi)翻轉(zhuǎn)變換，所以信息不但存得久，而且可以迅速進(jìn)行更改。然而，在神經(jīng)元細(xì)胞構(gòu)成的大腦網(wǎng)絡(luò)中，要想快速改變狀態(tài)就不那么容易了。

像識臉、下棋、作曲這些任務(wù)固然需要學(xué)習(xí)、聯(lián)想和創(chuàng)造，但更重要的其實是積累龐大的信息數(shù)據(jù)庫作為支持。而人腦要花超過電腦很多倍的時間才能儲備足夠的數(shù)據(jù)。如果在仿真腦的研究領(lǐng)域，記憶能力不足的問題沒有得到解決，那么仿真腦在這些學(xué)習(xí)任務(wù)上也就沒了優(yōu)勢。

人腦至今領(lǐng)跑的項目：運(yùn)動控制

那么在人腦的功能里，究竟有哪些是電子設(shè)備至今還難以企及的呢？孤懸于海中的一盞明燈乃是人腦對肢體運(yùn)動的控制。

人體的運(yùn)動神經(jīng)信號傳輸質(zhì)量其實遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上電子設(shè)備。人體中的神經(jīng)脈沖信號常年經(jīng)受著各種噪聲和擾動的影響。此外，神經(jīng)信號的延遲也十分可觀，神經(jīng)脈沖的傳播速度平均下來只有幾十米/秒，就算完成一次最簡單的脊髓反射也需要花費(fèi)掉30毫秒之巨。而在這30毫秒之內(nèi)，一個不算太高端的嵌入式控制器（假定1000Hz采樣率）已經(jīng)完成了30次微調(diào)控。

然而，在這些巨大的劣勢之下，人類居然還能完成跑跳投捻推揉等各種動作，行動的過程中還能根據(jù)外界環(huán)境的變化實時調(diào)節(jié)動作。這些重重挑戰(zhàn)簡直就是機(jī)械疙瘩和硅片腦袋的噩夢。

如果真要用芯片來制造仿真腦，運(yùn)動能力大概會是一個不錯的研究方向。而仿真的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能否讓機(jī)器人運(yùn)動自如，這還需要更多研究才能下結(jié)論。

從研究角度講，仿真腦可以幫助人類揭開腦科學(xué)中的謎團(tuán)。而從實用技術(shù)角度看，造腦的目的則應(yīng)該是剝離出人腦真正強(qiáng)勢的功能，制造出超越人腦且超越電腦的新體制智能設(shè)備——在肢體運(yùn)動控制這樣的領(lǐng)域，人腦模式的表現(xiàn)依然值得期待。要想制造出具有人腦般性能的芯片，研究者們還有很長的路要走。