芯片，讓電腦變“聰明”

史峰

《數(shù)字化生存》一書(shū)作者尼葛洛龐帝曾說(shuō)：“假如電腦能變得像人腦一樣聰明，那么即使是最堅(jiān)定的反機(jī)器分子，大概也會(huì)熱情地使用電腦?！睂?shí)際上，讓電腦變得像人腦，這樣的夢(mèng)想或許即將成為現(xiàn)實(shí)。

傳統(tǒng)硅芯片，其實(shí)是“傻瓜”

芯片即內(nèi)含集成電路的硅片，類(lèi)似于人腦。人腦里有復(fù)雜的神經(jīng)系統(tǒng)，芯片上有復(fù)雜的集成電路，所以芯片就是電腦的“大腦”，它決定整個(gè)電腦性能的發(fā)揮，是計(jì)算機(jī)“執(zhí)行程序”核心。只要把加、減、乘、除、乘方、開(kāi)方以及各種函數(shù)的復(fù)雜程序裝進(jìn)有“芯片”的電腦里，“芯片”就會(huì)組織系統(tǒng)“力量”快速執(zhí)行各種計(jì)算“程序”。

傳統(tǒng)電腦芯片是用硅制成的。現(xiàn)在，電腦硅芯片的體積越來(lái)越小，上面電路集成的規(guī)模越來(lái)越大，因此它可以執(zhí)行越來(lái)越復(fù)雜的“程序”。

電腦程序主要有兩種：可支持計(jì)算機(jī)自身基本運(yùn)轉(zhuǎn)的“系統(tǒng)程序”和可以拓展計(jì)算機(jī)各種功能的“應(yīng)用程序”。最早的“系統(tǒng)程序”編寫(xiě)于1956年，名為 GM-NAA操作系統(tǒng)。最難學(xué)的“系統(tǒng)程序”是1966年IBM公司推出的 DOS操作系統(tǒng)。最普及的“系統(tǒng)程序”是電腦天才比爾·蓋茨團(tuán)隊(duì)1985年開(kāi)始推廣的Windows操作系統(tǒng)。目前手持電腦設(shè)備上最“火”的操作系統(tǒng)，是Android系統(tǒng)。

有了這些“操作程序”的支持，電腦上就可以進(jìn)一步安裝各種“應(yīng)用程序”：比如畫(huà)圖程序、瀏覽器程序、殺毒程序等。特別值得一提的是，電腦病毒也是“應(yīng)用程序”的一種，不過(guò)它主要被用來(lái)“做壞事，搞破壞”。

電腦程序是“程序員”編寫(xiě)的指令，電腦芯片通過(guò)執(zhí)行“指令”來(lái)完成“預(yù)定”運(yùn)算任務(wù)。所以，看起來(lái)很“聰明”的電腦，其實(shí)只是個(gè)聽(tīng)令于程序的“傻瓜”而已--它不是利用主動(dòng)思考的方式而是按照“事先指令”來(lái)解決問(wèn)題的。就算是英國(guó)國(guó)家氣象局使用的一臺(tái)運(yùn)算速度達(dá)每秒一萬(wàn)億次的超級(jí)電腦，有時(shí)也表現(xiàn)得“傻乎乎”的--預(yù)報(bào)模式如果脫離了既定“程序”，就會(huì)做出錯(cuò)誤的天氣預(yù)報(bào)，把“大雨”預(yù)報(bào)成“晴天”。

認(rèn)知硅芯片，讓電腦似人腦

傳統(tǒng)硅芯片電腦是“傻瓜”，所以人們對(duì)它的“智商表現(xiàn)”并不滿(mǎn)意。那么，能不能把電腦變得像人腦一樣，會(huì)學(xué)習(xí)、懂交流、能感知、可互動(dòng)？

日前，IBM公司對(duì)外宣布：新一代電腦將從“運(yùn)行程序”的工具，轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂小皩W(xué)習(xí)能力”的復(fù)雜系統(tǒng)。也就是說(shuō)，電腦將具備“主動(dòng)思考、可自動(dòng)糾錯(cuò)、通過(guò)學(xué)習(xí)、工作積累知識(shí)經(jīng)驗(yàn)”的能力。

為此，IBM推出了“認(rèn)知芯片”，有分析師認(rèn)為它是目前世界上最接近復(fù)雜人腦的“認(rèn)知系統(tǒng)”，它比傳統(tǒng)電腦芯片的設(shè)計(jì)多了這樣一些內(nèi)容：“神經(jīng)元”、“突觸”和“軸突”結(jié)構(gòu)。神經(jīng)元負(fù)責(zé)信息處理，突觸負(fù)責(zé)學(xué)習(xí)和記憶，軸突則負(fù)責(zé)不同信息間的溝通。

電腦為什么會(huì)“死機(jī)”？原因很多，其中一個(gè)主要原因是“程序錯(cuò)誤”?！半娔X程序”是由人編寫(xiě)的，其中總會(huì)存在“錯(cuò)誤”，電腦運(yùn)行程序時(shí)，如果“觸動(dòng)”了錯(cuò)誤，就會(huì)“傻掉”，無(wú)法完成尋找“正確結(jié)果”的運(yùn)算進(jìn)程，只好死機(jī)?！八罊C(jī)”不僅會(huì)使電腦使用者被迫中斷工作進(jìn)程，還會(huì)導(dǎo)致各種重要資料的丟失。

未來(lái)，裝有“認(rèn)知芯片”的電腦推向市場(chǎng)后，人們就無(wú)須再為電腦死機(jī)而煩心了。因?yàn)殡娔X可以用自己的“認(rèn)知能力”及時(shí)發(fā)現(xiàn)“程序設(shè)計(jì)”中的錯(cuò)誤，并自動(dòng)糾錯(cuò)，修補(bǔ)程序員留下來(lái)的“程序陷阱”，從而避免出現(xiàn)“死機(jī)”。

時(shí)至今日，電腦能解決什么問(wèn)題并不重要，重要的是它如何處理“意外”問(wèn)題。人腦之所以強(qiáng)大，在于其有上千億個(gè)神經(jīng)元和10多萬(wàn)億個(gè)神經(jīng)突觸，處理問(wèn)題的信號(hào)可以傳向四面八方。因此，模仿大腦制造“認(rèn)知芯片”成為許多科學(xué)家渴望攻克的最大挑戰(zhàn)--為研發(fā)“第一代類(lèi)腦認(rèn)知芯片”，IBM公司啟用了6個(gè)專(zhuān)門(mén)實(shí)驗(yàn)室，聯(lián)合來(lái)自康奈爾大學(xué)、威斯康星大學(xué)、加州大學(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，投入了大量經(jīng)費(fèi)進(jìn)行研究。

這一研究目前已取得豐碩成果： 2006年，IBM利用“認(rèn)知芯片”模擬了老鼠40%的大腦活動(dòng)情況。2007年，模擬了老鼠全部大腦活動(dòng)情況。2009年，模擬了貓的大腦皮層“記憶學(xué)習(xí)”功能；同年，模擬運(yùn)行了人類(lèi)大腦皮層1%的“認(rèn)知功能”。

2011年，IBM公司研發(fā)出兩個(gè)單核硅芯片原型，每個(gè)都含有256個(gè)神經(jīng)元，其中一塊有超過(guò)26萬(wàn)個(gè)可控制的神經(jīng)突觸，另一塊有6萬(wàn)多個(gè)學(xué)習(xí)型神經(jīng)突觸。在這兩塊芯片的基礎(chǔ)上，研究人員成功讓計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航、機(jī)器視覺(jué)、模式識(shí)別、聯(lián)系記憶及分類(lèi)等認(rèn)知功能。但從規(guī)模上來(lái)說(shuō)，這樣的單核硅芯片僅相當(dāng)于蟲(chóng)腦的水平。 2014年，IBM研制出最新仿人腦芯片TrueNorth--4096個(gè)內(nèi)核、100萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元、2.56億個(gè)突觸集成在直徑只有幾厘米的方寸（是2011年單核硅芯片原型大小的1/16）之間，而且能耗不到70毫瓦。但與人腦的上千億個(gè)神經(jīng)元和十多萬(wàn)億個(gè)突觸相比，它仍然不夠“聰明”。IBM的最終目標(biāo)，是希望建立一臺(tái)包含 100 億個(gè)神經(jīng)元和 100 萬(wàn)億個(gè)突觸的計(jì)算機(jī)--這樣的計(jì)算機(jī)要比人類(lèi)大腦的功強(qiáng)大10 倍，而功耗只有1000瓦，重量?jī)H相當(dāng)于人腦的重量。

有機(jī)芯片，讓電腦超人腦

目前所有的電腦芯片都是用“硅”制成，1平方毫米的硅片上能容納25萬(wàn)個(gè)電子元件。雖然這個(gè)數(shù)量已經(jīng)非常龐大，但要完成人腦的“思考”與“學(xué)習(xí)”的任務(wù)仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，因?yàn)槿四X中用來(lái)完成認(rèn)知能力的神經(jīng)元的數(shù)量是硅質(zhì)芯片上電子元件數(shù)量的數(shù)十萬(wàn)倍--因此，要想在硅質(zhì)芯片上大規(guī)模地集成電子元件，來(lái)達(dá)到人類(lèi)大腦的高度“認(rèn)知能力”幾乎是不可能的。

而“有機(jī)芯片”上可容納的電子元件的密度比人腦神經(jīng)元密度還要高出100萬(wàn)倍，并且這種芯片傳遞及處理信息的速度也比人腦的思維速度快100萬(wàn)倍--如果用它代替“硅質(zhì)芯片”，那么電腦的功能不就可以大幅度超越人腦嗎？

是的，科學(xué)家正在開(kāi)發(fā)“有機(jī)芯片”，目的就是要讓芯片功能超過(guò)人腦功能。裝有這種“有機(jī)芯片”的電腦，就是“生物電腦”。

目前，最新一代實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)正在用“有機(jī)芯片”模擬人類(lèi)的大腦構(gòu)造。英國(guó)劍橋大學(xué)還發(fā)現(xiàn)了“生物電路”：一些蛋白質(zhì)的主要功能不是構(gòu)成生物的某些結(jié)構(gòu)，而是用于傳輸和處理信息。

科學(xué)家正努力尋找人腦與“有機(jī)芯片”之間的相似處，研制基于整個(gè)人體神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。盡管目前研制出來(lái)的最先進(jìn)的“生物電腦”擁有的智力還非常有限，但大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為，“生物電腦”是計(jì)算機(jī)未來(lái)的發(fā)展之路。有科學(xué)家預(yù)言：到2020年，運(yùn)算速度更快的“有機(jī)芯片”將取代“硅質(zhì)芯片”，超越人類(lèi)智能的電腦將變成現(xiàn)實(shí)--屆時(shí)，也許在電腦“眼里”，人類(lèi)才是“傻瓜”。（責(zé)任編輯/清揚(yáng)）endprint