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類腦機(jī): 像人腦那樣工作思考

作者: 2018年12月05日 來源:全球化工設(shè)備網(wǎng) 瀏覽量:
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讓機(jī)器像人腦一樣工作——這不是幻想,已經(jīng)有科學(xué)家走在實(shí)現(xiàn)它的路上?! ?jù)外媒報(bào)道,英國(guó)曼徹斯特大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院“激活”了世界上最大的“大腦”——一臺(tái)類腦超級(jí)計(jì)算機(jī)SpiNNaker。據(jù)曼徹斯特大學(xué)官網(wǎng)介紹,
讓機(jī)器像人腦一樣工作——這不是幻想,已經(jīng)有科學(xué)家走在實(shí)現(xiàn)它的路上。
  據(jù)外媒報(bào)道,英國(guó)曼徹斯特大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院“激活”了世界上最大的“大腦”——一臺(tái)類腦超級(jí)計(jì)算機(jī)SpiNNaker。據(jù)曼徹斯特大學(xué)官網(wǎng)介紹,這臺(tái)計(jì)算機(jī)擁有100萬個(gè)處理器內(nèi)核(processor cores),每秒可進(jìn)行200萬億次運(yùn)算,處理信息的方式與人腦類似。SpiNNaker設(shè)計(jì)師、計(jì)算機(jī)工程教授史蒂夫·弗伯表示,該類腦超算“重構(gòu)了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的工作方式”。
模擬生物大腦的信息處理方式
  “SpiNNaker之所以被稱為類腦超級(jí)計(jì)算機(jī),是因?yàn)樗谀7律锎竽X處理信息的方式,而且處理速度和規(guī)模遠(yuǎn)超同類機(jī)型,但在體系結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)意義的超級(jí)計(jì)算機(jī)有明顯不同。我更傾向于把這類模仿生物大腦的機(jī)器統(tǒng)稱為‘類腦機(jī)’?!北本┐髮W(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系主任黃鐵軍在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)表示,超級(jí)計(jì)算機(jī)往往是指性能更高、規(guī)模更大的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī),而類腦機(jī)則是指借鑒、模擬生物大腦神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和信息處理過程的智能機(jī)器,而非單純進(jìn)行計(jì)算任務(wù)的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。
  美國(guó)加州科技大學(xué)校長(zhǎng)秦志剛也持有相同觀點(diǎn)?!邦惸X機(jī)與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的工作方式不同?!彼硎荆瑐€(gè)人計(jì)算機(jī)往往只有1個(gè)中央處理器(CPU),該CPU功能強(qiáng)大,可處理多種任務(wù),但在這種模式下,任務(wù)只能被接續(xù)處理,即處理完一個(gè)、才能處理下一個(gè)。但類腦機(jī)的原型——生物大腦的工作方式并非如此。據(jù)統(tǒng)計(jì),人的大腦中約有1000億個(gè)神經(jīng)元,這些神經(jīng)元是人腦神經(jīng)系統(tǒng)最基本的結(jié)構(gòu)和功能單位。每個(gè)神經(jīng)元均可被看成是一個(gè)簡(jiǎn)化版CPU,其計(jì)算功能雖比不上計(jì)算機(jī)的CPU,但勝在數(shù)量多,且每個(gè)神經(jīng)元均可獨(dú)立完成任務(wù)。簡(jiǎn)而言之,可以把大腦看成是由多個(gè)同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的CPU組成的機(jī)器,其具有高效的多任務(wù)信息處理能力。
  常規(guī)超級(jí)計(jì)算機(jī)雖也有大量CPU,但是這些CPU只能進(jìn)行簡(jiǎn)單并行工作,相比之下,生物神經(jīng)元相互連接形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)要復(fù)雜得多。
  那么,類腦機(jī)如何模仿生物大腦中神經(jīng)元之間的信息交換和處理過程?
  大腦中每個(gè)神經(jīng)元通過數(shù)千個(gè)神經(jīng)突觸與其他神經(jīng)元連接,構(gòu)成可感知、綜合處理、反饋信息的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。感知到外界信號(hào)后,上游神經(jīng)元可將信號(hào)以神經(jīng)脈沖的形式“發(fā)送”給多個(gè)下游神經(jīng)元,下游神經(jīng)元再將這一脈沖信號(hào)傳遞給更多的神經(jīng)元。這些神經(jīng)脈沖信號(hào)在神經(jīng)元之間的傳遞過程實(shí)際上就是大腦處理信息的過程。
  “類腦機(jī)通過大規(guī)模神經(jīng)形態(tài)芯片模擬生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),每塊芯片上都集成了大量電子或光子神經(jīng)元和突觸陣列?!秉S鐵軍介紹,與生物神經(jīng)元不同,電子版神經(jīng)元的連接狀態(tài)可通過軟件實(shí)現(xiàn)。類腦機(jī)處理信息也采用傳遞神經(jīng)脈沖信號(hào)的方式進(jìn)行,只是通常不是直接采用生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的連接模式,而是采用路由交換的方式,提高靈活性。一種典型的做法是將脈沖信號(hào)打包,然后利用包裹上的“投遞地址”等信息實(shí)現(xiàn)面向下游神經(jīng)元的精準(zhǔn)投遞;待下游神經(jīng)元收到大量的信息包,而后根據(jù)自身的處理特性生成新的脈沖,再將信息“投遞”出去,周而往復(fù)。當(dāng)這種類腦機(jī)的計(jì)算精度達(dá)到一定程度后,就能產(chǎn)生僅生物大腦才具有的某些功能,甚至可能出現(xiàn)“靈感涌現(xiàn)”等高級(jí)智能。
更節(jié)能,可促進(jìn)相關(guān)學(xué)科發(fā)展
  1981年,美國(guó)生物學(xué)家杰拉爾德·艾德曼提出了“綜合神經(jīng)建模”理論,這位科學(xué)家成為仿真生物大腦領(lǐng)域的先驅(qū)者。30多年來,人們花費(fèi)了大量的精力、財(cái)力研究類腦算法、模型及配套硬件設(shè)施。以SpiNNaker為例,該項(xiàng)目始建于2006年,迄今已花費(fèi)了約1500萬歐元。
  那么,類腦機(jī)為何能讓人們?nèi)绱酥圆橹冻鲋T多努力?“類腦機(jī)擁有現(xiàn)階段主流人工智能模型(如深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))無法比擬的高智能、低能耗的優(yōu)勢(shì)?!敝袊?guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所副所長(zhǎng)劉成林表示,深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)往往只具有完成單一任務(wù)的智能,如圖片識(shí)別、語音識(shí)別等,缺乏綜合處理不同場(chǎng)景信息的能力,這也是制約其未來發(fā)展的瓶頸問題之一。類腦機(jī)則得益于模仿大腦的“先天優(yōu)勢(shì)”,在綜合感知、推理等方面的能力更為突出。
  類腦機(jī)在低能耗方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。人腦執(zhí)行計(jì)算任務(wù)所消耗的能量要比目前通用計(jì)算機(jī)低很多。正如歐盟在其推出的《人類大腦計(jì)劃(Human Brain Project)》報(bào)告中指出,在處理等量任務(wù)時(shí),目前沒有任何人工系統(tǒng)能夠媲美人腦的低能耗。人類大腦的能耗功率一般在20瓦左右,而一臺(tái)常用筆記本電腦的耗能功率約為100瓦。這種差距在基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的人工智能上表現(xiàn)得更為顯現(xiàn)。2016年,阿爾法狗對(duì)戰(zhàn)圍棋九段高手李世石時(shí),該人工智能程序的功耗達(dá)1兆瓦,將近人腦的5萬倍?!艾F(xiàn)階段類腦機(jī)的能耗雖無法降至人腦水平,但比人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)能?!眲⒊闪直硎?。
  另一方面,類腦機(jī)的研究可以促進(jìn)腦科學(xué)和神經(jīng)科學(xué)研究的發(fā)展。大腦是人身體中最復(fù)雜的器官,其神經(jīng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)理至今仍有很多不清楚的地方,靠影像手段難以直接觀測(cè)。劉成林指出,類腦機(jī)作為模擬大腦的計(jì)算模型,通過計(jì)算產(chǎn)生類似大腦的活動(dòng)和智能行為,可以反過來為腦神經(jīng)結(jié)構(gòu)和功能的研究提供有益的啟發(fā)。同時(shí),腦科學(xué)和神經(jīng)科學(xué)的進(jìn)步也將促進(jìn)類腦機(jī)向更高智能方向發(fā)展。
首臺(tái)實(shí)時(shí)模擬人腦機(jī)器或4年后出現(xiàn)
  “目前類腦機(jī)研究仍處在起步階段,其學(xué)習(xí)、創(chuàng)造能力還遠(yuǎn)不如人腦。但是隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,不可否認(rèn),類腦機(jī)確有達(dá)到甚至超越人腦的可能?!鼻刂緞傉f。
  黃鐵軍則描繪了未來類腦機(jī)的藍(lán)圖:當(dāng)神經(jīng)形態(tài)器件和芯片的精密程度發(fā)展到一定階段后,在信息處理速度上或比人腦快幾個(gè)數(shù)量級(jí),同時(shí)在外形上沒有了人腦骨骼結(jié)構(gòu)的限制……
  距離研制出這樣一臺(tái)“電腦”,我們還有多遠(yuǎn)的路要走?黃鐵軍介紹說,根據(jù)歐盟推出的《人類大腦計(jì)劃》,到2022年首臺(tái)實(shí)時(shí)模擬人類大腦的機(jī)器就會(huì)出現(xiàn),約20年后尺寸與人腦相當(dāng)又能精確模擬人腦功能的類腦機(jī)或?qū)⒚媸馈?
  當(dāng)類腦機(jī)出現(xiàn)后,它會(huì)給我們的生活帶來哪些改變?“類腦機(jī)的出現(xiàn)必然會(huì)給人們的生活方式,尤其是學(xué)習(xí)方式帶來巨大的變革。類腦機(jī)可大量減少人類重復(fù)性的工作,同時(shí)其也會(huì)成為創(chuàng)新靈感的來源之一?!鼻刂緞偙硎?。
  劉成林認(rèn)為,裝有類腦機(jī)的機(jī)器人可能在功能上與真人無異,會(huì)思考、判斷、學(xué)習(xí),能夠提供更貼心的服務(wù),并代替人從事高智力工作,極大地提高工作效率,促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。但是,未來高智能機(jī)器的發(fā)展和廣泛使用也可能帶來失業(yè)、被誤用等負(fù)面影響,相關(guān)的倫理、風(fēng)險(xiǎn)研究應(yīng)逐步展開,相關(guān)法律法規(guī)建設(shè)也應(yīng)同步完善。
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