模擬人腦的類腦計(jì)算機(jī)

人們往往會(huì)質(zhì)疑：大腦奧秘尚未揭示，我們還不了解智能背后的基本原理，怎么能制造出具有“大腦智能”的類腦計(jì)算機(jī)呢？

類腦計(jì)算機(jī)可能嗎

筆者認(rèn)為，這一質(zhì)疑存在的問題，是沒有分清“類腦”的兩個(gè)層次：結(jié)構(gòu)層次的仿真和功能層次的模擬。類腦計(jì)算機(jī)的“類”是從結(jié)構(gòu)層次仿真入手，即采用光電微納器件模擬生物神經(jīng)元，以及神經(jīng)突觸的信息處理功能，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)仿照大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。在仿真精度達(dá)到一定范圍后，類腦計(jì)算機(jī)將具備生物大腦類似的信息處理功能和系統(tǒng)行為，包括“靈感涌現(xiàn)”等高級(jí)智能。簡(jiǎn)言之，類腦計(jì)算機(jī)不是等待理解智能或心智的機(jī)理后再行模擬，而是繞過這個(gè)更為困難的科學(xué)問題，通過結(jié)構(gòu)仿真等工程技術(shù)手段間接達(dá)到功能模擬目的。

實(shí)際上，科學(xué)發(fā)現(xiàn)和技術(shù)發(fā)明從來就是相互作用的復(fù)雜過程，不是“前者決定后者”的簡(jiǎn)單關(guān)系。近代科技史上，飛機(jī)和空氣動(dòng)力學(xué)是另一個(gè)鮮活案例。19世紀(jì)經(jīng)典流體力學(xué)已經(jīng)形成，但并未出現(xiàn)指導(dǎo)飛機(jī)設(shè)計(jì)的空氣動(dòng)力學(xué)。1903年萊特兄弟發(fā)明飛機(jī)，1908年馮·卡門專赴巴黎目睹飛行表演后，才下決心“要不惜一切代價(jià)去研究風(fēng)以及在風(fēng)中飛行的全部奧秘，總有一天我會(huì)向法爾芒講清楚他的飛機(jī)為什么能上天的道理”。

腦科學(xué)與類腦計(jì)算機(jī)的關(guān)系也是如此。人腦雖然是迄今已知的最為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，規(guī)模龐大，但仍然是一個(gè)復(fù)雜度有限的物理結(jié)構(gòu)：擁有約一千億個(gè)神經(jīng)元，每個(gè)神經(jīng)元通過數(shù)千甚至上萬個(gè)神經(jīng)突觸和其他神經(jīng)元相連接。采用神經(jīng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)手段，從分子生物學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)層次解析大腦神經(jīng)元和突觸的物理化學(xué)特性，理解神經(jīng)元和突觸的信號(hào)加工和信息處理特性，并無突破不了的技術(shù)障礙。隨著探測(cè)手段的不斷改進(jìn)，大腦解析日益精細(xì)，而神經(jīng)元和突觸作為信息處理單元為解析精度設(shè)定了下界，因此大腦解析是一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)的工程技術(shù)問題。

2008年，美國(guó)工程院把“大腦反向工程”列為21世紀(jì)14個(gè)重大工程問題之一，近年來各國(guó)“腦計(jì)劃”也將大腦高精度解析列為重要內(nèi)容進(jìn)行支持。我們不應(yīng)再糾結(jié)于大腦意識(shí)原理是否突破，而應(yīng)該在大腦解析仿真最新進(jìn)展基礎(chǔ)上，爭(zhēng)取在制造類腦計(jì)算機(jī)方面先行突破，一旦類腦計(jì)算機(jī)能夠產(chǎn)生部分類腦功能，揭示大腦智能奧秘也就為期不遠(yuǎn)了。

類腦計(jì)算的技術(shù)路徑

類腦計(jì)算技術(shù)路線總體上可分為三個(gè)層次：結(jié)構(gòu)層次模仿腦，器件層次逼近腦，智能層次超越腦。近十年來，國(guó)內(nèi)外在這三個(gè)層次已經(jīng)取得不少階段性成果。

所謂“結(jié)構(gòu)層次模仿腦”，是將大腦作為一個(gè)物質(zhì)和生理對(duì)象進(jìn)行解析，獲得基本單元（各類神經(jīng)元和神經(jīng)突觸等）的功能及其連接關(guān)系（網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)）。這一階段，主要通過神經(jīng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)采用先進(jìn)的分析探測(cè)技術(shù)完成。

1952年，英國(guó)科學(xué)家霍奇金和赫胥黎提出了以兩人命名的HH方程，精確刻畫了單個(gè)神經(jīng)元放電的非線性動(dòng)力學(xué)過程，這是神經(jīng)元信息處理的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型。近年來，國(guó)內(nèi)的相關(guān)探測(cè)手段也快速進(jìn)步。例如北京大學(xué)生物動(dòng)態(tài)光學(xué)成像中心主任、哈佛大學(xué)終身教授謝曉亮領(lǐng)銜的生物動(dòng)態(tài)光學(xué)成像中心，可以通過單分子光譜觀察細(xì)胞內(nèi)部的動(dòng)態(tài)生理過程。2014年，華中科技大學(xué)駱清銘教授牽頭的“單細(xì)胞分辨率的全腦顯微光學(xué)切片斷層成像技術(shù)與儀器”榮獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)，在神經(jīng)細(xì)胞尺度上實(shí)現(xiàn)了腦皮層的結(jié)構(gòu)解析。國(guó)際上，2014年6月，美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院發(fā)布美國(guó)腦計(jì)劃12年規(guī)劃，重點(diǎn)支持新的大腦解析探測(cè)技術(shù)，目標(biāo)是繪制出堪比“人類基因圖譜”的“人類大腦動(dòng)態(tài)圖譜”。相關(guān)進(jìn)展表明，對(duì)人類大腦結(jié)構(gòu)的解析有望在十年內(nèi)獲得重大突破。

所謂“器件層次逼近人腦”，是指研制能夠模擬神經(jīng)元和神經(jīng)突觸功能的微納光電器件，從而在有限的物理空間和功耗條件下構(gòu)造出人腦規(guī)模的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。這方面的代表性項(xiàng)目是美國(guó)國(guó)防部先進(jìn)研究項(xiàng)目局（DARPA）2008年啟動(dòng)的“神經(jīng)形態(tài)自適應(yīng)可塑性可擴(kuò)展電子系統(tǒng)”，其目標(biāo)是研制出器件功能、規(guī)模與密度均與人類大腦皮層相當(dāng)?shù)碾娮友b置，功耗為1千瓦（人腦為20瓦），IBM和多所大學(xué)獲得一億多美元資助。2014年8月7日，IBM在《科學(xué)》上發(fā)表文章，宣布研制成功TrueNorth神經(jīng)形態(tài)芯片，內(nèi)含100萬個(gè)神經(jīng)元和2.56億個(gè)突觸，這項(xiàng)成果入選“2014年十大科學(xué)突破”。德國(guó)海德堡大學(xué)在神經(jīng)形態(tài)芯片研制方面已有十多年積累，2015年3月，他們?cè)谝粋€(gè)8英寸硅片上集成了20萬神經(jīng)元和5000萬突觸，采用這種“神經(jīng)形態(tài)處理器”的計(jì)算機(jī)已經(jīng)成功運(yùn)行，其神經(jīng)元采用模擬電路實(shí)現(xiàn)，功能比IBM方案更接近生物神經(jīng)元。

類腦計(jì)算研究的目標(biāo)是制造出類腦計(jì)算機(jī)，其硬件主體是大規(guī)模神經(jīng)形態(tài)芯片，這種芯片主要包括神經(jīng)元陣列和突觸陣列兩大部分，前者通過后者互聯(lián)，一種典型連接結(jié)構(gòu)是縱橫交叉，使得一個(gè)神經(jīng)元和上千乃至上萬其他神經(jīng)元連接，而且這種連接還可以是軟件定義和調(diào)整的。類腦計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)軟件除管理神經(jīng)形態(tài)硬件外，主要實(shí)現(xiàn)各種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)到底層硬件器件陣列的映射，這里的“軟件神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”可以復(fù)用生物大腦的局部甚至整體，也可以是經(jīng)過優(yōu)化至全新設(shè)計(jì)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

所謂“智能層次超越腦”，屬于類腦計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件層次的問題，是指通過對(duì)類腦計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息刺激、訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，使其產(chǎn)生與人腦類似的智能甚至涌現(xiàn)出自主意識(shí)，實(shí)現(xiàn)智能培育和進(jìn)化。刺激源可以是虛擬環(huán)境，也可以是來自現(xiàn)實(shí)環(huán)境的各種信息（例如互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)）和信號(hào)（例如遍布全球的攝像頭和各種物聯(lián)網(wǎng)傳感器），還可以是機(jī)器人“身體”在自然環(huán)境中探索和互動(dòng)。在這個(gè)過程中，類腦計(jì)算機(jī)能夠調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的突觸連接關(guān)系及連接強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)、記憶、識(shí)別、會(huì)話、推理以及更高級(jí)的智能。

類腦計(jì)算研究在中國(guó)

中國(guó)類腦計(jì)算相關(guān)研究已有十來年的歷史了。北京大學(xué)微電子研究院從2006年開始研制神經(jīng)形態(tài)器件，2012年實(shí)現(xiàn)了神經(jīng)突觸模擬器件，響應(yīng)速度比生物突觸快百萬倍，而單元體積只有生物突觸的十萬分之一，在光學(xué)突觸方面也有突破。

北京大學(xué)是我國(guó)類腦研究蓬勃發(fā)展的一個(gè)縮影。2015年以來，清華大學(xué)成立了跨7個(gè)院系的“類腦計(jì)算研究中心”，從基礎(chǔ)理論、芯片、軟件系統(tǒng)展開全方位研究，中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所成立了“類腦智能研究中心”，中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所研制出世界上首款深度學(xué)習(xí)處理器芯片，中國(guó)傳媒大學(xué)腦科學(xué)與智能媒體研究院和北京印刷學(xué)院等單位在神經(jīng)系統(tǒng)高效模擬、神經(jīng)形態(tài)器件印制等方面也有很好的工作基礎(chǔ)。

同時(shí)，北京市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)對(duì)腦科學(xué)和類腦計(jì)算進(jìn)行了密集調(diào)研，制定了“北京腦科學(xué)研究”專項(xiàng)規(guī)劃，并于9月1日正式對(duì)外發(fā)布?！澳X認(rèn)知與類腦計(jì)算”作為專項(xiàng)兩大重點(diǎn)任務(wù)之一，沿著“結(jié)構(gòu)仿真、器件逼近和功能超越”這條技術(shù)路線，布局了三個(gè)層次、九個(gè)方面的科研任務(wù)：建設(shè)支撐類腦計(jì)算基礎(chǔ)研究開發(fā)和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的四大基礎(chǔ)性公共平臺(tái)（大腦解析仿真平臺(tái)、認(rèn)知功能模擬平臺(tái)、神經(jīng)形態(tài)器件平臺(tái)和類腦計(jì)算機(jī)系統(tǒng)平臺(tái)），開發(fā)兩款類腦計(jì)算處理器芯片（類腦處理器和機(jī)器學(xué)習(xí)處理器）并投入實(shí)際應(yīng)用，希望研制類腦計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)，在視聽感知、自主學(xué)習(xí)、自然會(huì)話三大類腦智能方向取得突破并實(shí)現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用。這一專項(xiàng)的目標(biāo)是依托首都類腦領(lǐng)域科研優(yōu)勢(shì)，在類腦計(jì)算理論基礎(chǔ)研究、類腦計(jì)算機(jī)研制和類腦智能三方面取得理論研究和關(guān)鍵技術(shù)的重要突破，初步形成自主可控的類腦計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈，將北京建設(shè)成為全球有重要影響力的類腦計(jì)算科技創(chuàng)新中心和產(chǎn)業(yè)化中心。

目前，集中北京地區(qū)大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)優(yōu)勢(shì)研究力量的十多項(xiàng)類腦計(jì)算研究項(xiàng)目已經(jīng)全面展開。以“大腦初級(jí)視覺系統(tǒng)解析仿真平臺(tái)研究和應(yīng)用驗(yàn)證”項(xiàng)目為例，項(xiàng)目匯聚了信息科學(xué)和生命科學(xué)交叉的研究團(tuán)隊(duì)，通過生物實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)仿真進(jìn)行交叉驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)對(duì)生物視覺系統(tǒng)視覺信息處理和加工過程的精確重構(gòu)。預(yù)計(jì)這項(xiàng)研究不僅能深化對(duì)生物視覺系統(tǒng)信息處理過程的認(rèn)識(shí)，還有望啟發(fā)新的高效視頻編碼方法和對(duì)象檢測(cè)識(shí)別算法，并通過新一代視覺芯片支持智能機(jī)器人和無人機(jī)等產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

就像飛機(jī)發(fā)明對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)的提出起到了巨大促進(jìn)作用一樣，類腦計(jì)算機(jī)作為生物大腦的模擬仿真系統(tǒng)，也將對(duì)揭開意識(shí)之謎發(fā)揮重要作用。需要特別說明的是，由于類腦計(jì)算機(jī)的器件速度是生物神經(jīng)元和突觸的百萬倍以上，一旦通過涌現(xiàn)方式產(chǎn)生智能，后果難以預(yù)料，對(duì)人類來說可能是天使，也可能是魔鬼，因此，相關(guān)的倫理和風(fēng)險(xiǎn)研究也要同步展開。