浙大學(xué)生研發(fā)出“達(dá)爾文”類腦芯片 突破傳統(tǒng)電腦結(jié)構(gòu)

在英雄輩出的IT界，很多人沒注意到，一個(gè)“年輕人”來了。它只有拇指蓋大小，皮膚黝黑，躺在浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)系一間再普通不過的實(shí)驗(yàn)室。兩個(gè)多月前，浙江大學(xué)與杭州電子科技大學(xué)的研究者把這個(gè)小家伙帶來。這支研發(fā)團(tuán)隊(duì)中的大多數(shù)都是還沒畢業(yè)的學(xué)生，年齡最小的只有22歲。不要小看這群年輕人搗鼓出來的小玩意兒，500萬個(gè)晶體管藏在它1厘米見方的嬌小身軀里，能模擬生物體的2048個(gè)神經(jīng)元、最多400萬個(gè)神經(jīng)突觸連接。

馬德和剛開發(fā)成功的達(dá)爾文芯片

“你看到的，其實(shí)是一個(gè)生物。” 杭州電子科技大學(xué)副教授馬德說。這是我國第一個(gè)支持脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的芯片，一旦信號(hào)開始在它的“血管”里流淌，小家伙就能像生物的大腦一樣進(jìn)行思維，并作出反應(yīng)。

在正式的“戶口簿”上，新來的“年輕人”有個(gè)正經(jīng)的名字，叫“類腦芯片”。年輕的研究者們還給它取了一個(gè)昵稱“達(dá)爾文”。

“全球最大的顯卡制造商用物理學(xué)家的名字命名他們的芯片，我們干脆找個(gè)生物學(xué)家的名字。”團(tuán)隊(duì)中最年輕的研究者沈君成笑著說，“就是說我們的芯片也能進(jìn)化!”

要突破傳統(tǒng)電腦的內(nèi)存墻，類腦芯片最有前景

黃燦燦的金屬線從達(dá)爾文的身體里長(zhǎng)出來。黑色的芯片牢牢地嵌在淡藍(lán)色的電路板上，等待被信號(hào)喚醒。

看上去，它與常見的芯片幾乎沒有區(qū)別，但在被新技術(shù)晃得眼花繚亂的IT界，它絕對(duì)算得上與眾不同。

比起靠晶體管搭建出強(qiáng)大計(jì)算能力的計(jì)算機(jī)，生物大腦的潛能隱藏在數(shù)以億計(jì)的神經(jīng)元中。它們由錯(cuò)綜復(fù)雜的神經(jīng)突觸連成網(wǎng)絡(luò)，神經(jīng)脈沖在其間游走，傳遞著痛或癢、高興或悲傷的信號(hào)，并將“運(yùn)算結(jié)果“傳回大腦“司令部”。

“生物的大腦沒有單獨(dú)的存儲(chǔ)空間，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)量巨大的神經(jīng)突觸連接構(gòu)成了生物體的記憶。”馬德解釋，類腦芯片體內(nèi)也有生物體一樣的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，它蘊(yùn)含的巨大能量，或許能在某一天徹底推翻稱霸江湖的“前輩”。

1946年2月15日，依尼亞克誕生，揭開了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的時(shí)代大幕。它身重27噸，一點(diǎn)看不出炫酷的影子。但它骨子里已經(jīng)有了和當(dāng)下電子產(chǎn)品相似的“基因”——CPU加工處理數(shù)據(jù)，內(nèi)存負(fù)責(zé)存儲(chǔ)。

70多年的時(shí)間里，這種分工明確的基因幾乎成了顛撲不破的真理，被一代代計(jì)算機(jī)傳承下來。稱之為馮·諾依曼結(jié)構(gòu)。

日新月異的技術(shù)把CPU打造得越來越強(qiáng)大，運(yùn)算、處理數(shù)據(jù)的速度增長(zhǎng)了1000倍，內(nèi)存的性能卻遲滯不前。

“就好像把一個(gè)現(xiàn)代化工廠建在深山里，空有強(qiáng)大的生產(chǎn)力，原料輸送卻跟不上，造成嚴(yán)重的產(chǎn)能過剩。”馬德告訴中國青年報(bào)記者，“很多人都在想辦法突破馮·諾依曼架構(gòu)的內(nèi)存墻，類腦芯片是看起來最有前景的。”

這個(gè)“前景”不只需要在盡量小的芯片上集成盡可能多的晶體管，還要把這些晶體管用復(fù)雜的方式連接起來。

以人類為例，我們1.36千克重的大腦里包含了數(shù)百億神經(jīng)元，兩兩之間的突觸連接，數(shù)量成百上千。

靠現(xiàn)有的芯片制造技術(shù)，可不輕松。對(duì)于加入研究團(tuán)隊(duì)的不少學(xué)生來講，類腦芯片和一系列全新的概念，他們之前并不熟悉，可年輕人的熱情還是被迅速點(diǎn)燃。

“科幻小說看多了，覺得這個(gè)研究弄出來多牛啊!”坐在浙江大學(xué)圖書館空曠的大廳里，沈君成回憶，這位喜愛小說《三體》的博士生覺得，如果芯片足夠復(fù)雜，或許人的大腦和全部思想就能復(fù)制進(jìn)去，“這樣人死后就能通過芯片永生了。”

他在腦袋里想著“向左”或“向右”，指揮達(dá)爾文控球

剛剛誕生不久的達(dá)爾文身上，還看不出那樣巨大的能量。課題組成員、浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)系碩士研究生徐曉強(qiáng)坐在它面前，等待把它喚醒。其他人圍成一圈，屏住呼吸，

徐曉強(qiáng)只是盯著電腦屏幕，達(dá)爾文就感受到他的存在。在看起來簡(jiǎn)陋的軟件界面中，它指揮一只籃球追著目標(biāo)白球左右運(yùn)動(dòng)，或者懸停在球場(chǎng)正中央。

沒有鼠標(biāo)和鍵盤，徐曉強(qiáng)在腦袋里想著“向左”或“向右”，發(fā)射出腦電波，這是他和達(dá)爾文唯一的交流“語言”。

徐曉強(qiáng)頭上套著八爪魚一樣的腦電波接收儀，他一思考，腦電波信號(hào)就傳回電腦，經(jīng)過解碼、編碼，再傳給達(dá)爾文。晶體管模擬的神經(jīng)元感受到電子脈沖，通過芯片內(nèi)負(fù)責(zé)的突觸連接，一個(gè)接一個(gè)地傳遞，直到驅(qū)動(dòng)軟件讓小球動(dòng)起來。

“普通計(jì)算機(jī)芯片基于海量的數(shù)據(jù)分析作出判斷，類腦芯片卻可以從復(fù)雜的腦電波中找到具體的指令。”浙江大學(xué)微電子學(xué)院朱曉雷博士解釋，“你講話時(shí)，聲調(diào)會(huì)隨情緒變化，而它依然能分辨出這是你的聲音。它靠的是神經(jīng)元之間互相傳遞的小信息。”

成熟的類腦芯片還有可能長(zhǎng)出“眼睛”，像人一樣辨別圖像。

2008年以來，IBM花了6年多時(shí)間，開發(fā)出一款TrueNorth類腦芯片，將4096 個(gè)內(nèi)核、100 萬個(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之間。

傳統(tǒng)的芯片要想識(shí)別圖像，必須把一張完整的圖片解析成若干數(shù)值后，再進(jìn)行運(yùn)算分析。TrueNorth卻像生物大腦一樣工作，能夠?qū)崟r(shí)識(shí)別出附近十字路口的人、自行車、公交車、卡車等，準(zhǔn)確率達(dá)到 80%——相比之下，一臺(tái)筆記本編程完成同樣的任務(wù)用時(shí)要慢 100 倍，能耗卻是它的 1 萬倍。

這個(gè)芯片屬于對(duì)我國禁運(yùn)的高科技產(chǎn)品，“自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的研發(fā)十分重要”。

一年半以前，達(dá)爾文芯片項(xiàng)目啟動(dòng)時(shí)，全球有十多個(gè)來自大學(xué)和研究所的課題組在進(jìn)行類似研究。但它們之間交流并不頻繁。關(guān)于類腦芯片，沒有什么被普遍認(rèn)可的知識(shí)。

與IBM公司上億元人民幣的研究經(jīng)費(fèi)相比，孕育達(dá)爾文的課題組，目前只得到大約100萬元人民幣的項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)，可指導(dǎo)老師和學(xué)生，還是把幾乎所有精力投入了這個(gè)不知是否能夠完成的任務(wù)。

達(dá)爾文誕生后，課題組修改了一款檢測(cè)軟件，用來測(cè)試它的性能。而喜歡打籃球的徐曉強(qiáng)，特意為這個(gè)控制物體左右移動(dòng)的軟件，做了一個(gè)綠茵茵的籃球場(chǎng)，還把他最喜歡的喬丹圖像，圍在了球場(chǎng)周圍。

達(dá)爾文的“子孫”，能達(dá)到昆蟲、嚙齒動(dòng)物甚至哺乳動(dòng)物的大腦能力

眼下，徐曉強(qiáng)算得上達(dá)爾文最熟悉的人。

幾次接觸后，達(dá)爾文對(duì)他發(fā)出的腦電波印象最為深刻，徐曉強(qiáng)自己也總結(jié)出了規(guī)律：“指揮方向時(shí)，我想著自己左邊或者右邊的腦袋上破了一個(gè)洞。”

沈君成也試著和年輕的達(dá)爾文交流過，但并不總能成功。“或許是和頭發(fā)厚薄有關(guān)系!”他不服氣地想。

其實(shí)，剛剛研制成功的達(dá)爾文還只是這個(gè)課題組的試驗(yàn)品，幼小的它還不會(huì)主動(dòng)學(xué)習(xí)，只能靠開發(fā)板灌輸腦電波信息。

課題組表示，達(dá)爾文和先進(jìn)的TrueNorth還有一定差距，但算得上“追趕國際先進(jìn)水平的第一步”。在實(shí)驗(yàn)室里，另一塊包含了上萬個(gè)神經(jīng)元的“達(dá)爾文二代”眼看就要完成。他們?cè)O(shè)想，隨著神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)越來越復(fù)雜，達(dá)爾文的“子孫”，能夠達(dá)到昆蟲、嚙齒動(dòng)物甚至哺乳動(dòng)物的大腦能力。

從上世紀(jì)七八十年代開始，人們就把目光投向仿造生物神經(jīng)系統(tǒng)的電腦芯片，試圖讓具有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電腦芯片像生物一樣“深度學(xué)習(xí)”。

不管是經(jīng)常與人聊天的微軟小冰，還是最近頻頻亮相的超級(jí)計(jì)算機(jī)沃森，背后都有人工搭建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。它們不只能像普通計(jì)算機(jī)那樣給出對(duì)的答案，還能更“聰明”地給出基于現(xiàn)有信息的最佳答案。

2011年，沃森在美國智力競(jìng)答電視節(jié)目《危險(xiǎn)邊緣》中，戰(zhàn)勝兩位實(shí)力極強(qiáng)的人類選手，奪得總冠軍。后來又穿上了白大褂，在安德森癌癥中心當(dāng)上了助理醫(yī)生，結(jié)合最新研究為病人量身定制最佳診療方案。

但是這些網(wǎng)絡(luò)需要大量傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)來支撐。比方說，谷歌公司的深度學(xué)習(xí)系統(tǒng)Google Brain 就用了 1000 臺(tái)各帶 16 核處理器的計(jì)算機(jī)，而參加《危險(xiǎn)邊緣》的沃森，機(jī)器占據(jù)了一整間屋子。

如果論資排輩，如今躺在浙江大學(xué)實(shí)驗(yàn)室里的這塊類腦芯片算得上第3代人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

“從現(xiàn)在的功能來說，達(dá)爾文還遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上小冰成熟。”80后馬德說，“但這就像自然規(guī)律一樣，年輕人現(xiàn)在比不上成年人，可是長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，年輕人總是要?jiǎng)俪龅摹?rdquo;

在不連接的時(shí)候，達(dá)爾文體內(nèi)的神經(jīng)元處于休眠狀態(tài)，這讓它極其省電。作出方向識(shí)別的時(shí)候，它消耗20毫瓦的功率;而英特爾處理器需要全速度運(yùn)轉(zhuǎn)，消耗功率是他的幾千倍。

大大降低的功耗，為達(dá)爾文騰出了更多施展才能的空間。它不僅有可能被植入眼鏡、手環(huán)等智能穿戴設(shè)備，讓人臉識(shí)別這樣的任務(wù)變得更容易。如果功耗能夠進(jìn)一步降低，它還有可能被植入人類或其他生物體內(nèi)，真正成為大腦的一部分。

“比如阿爾茨海默病，現(xiàn)在什么藥都治不了，但將來說不定植入一個(gè)芯片就搞定了!”沈君成興奮地想。

這個(gè)杭州大男孩兒，已經(jīng)見到身邊有人陷入這種病的困擾，他也早就了解了，這種疾病之所以出現(xiàn)，就是因?yàn)榇竽X里的神經(jīng)元，“一個(gè)接一個(gè)地早早死掉”，他想著，如果能植入包含許多神經(jīng)元、會(huì)思考的聰明的達(dá)爾文，他們的病說不定就有治了。

“現(xiàn)在當(dāng)然還離得比較遠(yuǎn)。”今年博士二年級(jí)的沈君成說，“但是技術(shù)發(fā)展這么快，誰知道哪一天就真的突破了呢。”