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不用懷疑，你脖子上掛著的那個球狀物體就是世界上最先進(jìn)的電腦，它能快速學(xué)習(xí)新事物、識別物體、理解語言的含義，并針對外界變化制定應(yīng)對措施，而且能耗少得驚人。科學(xué)家一直都致力于研發(fā)一種類似于人類大腦那樣工作的計(jì)算機(jī)，現(xiàn)在，IBM獲得了重要突破。
到目前為止，絕大多數(shù)試圖仿真人類大腦的研究都集中在軟件層面——這些軟件最終的運(yùn)算還是要由傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)用0和1來完成，本質(zhì)上，它們依然沒有擺脫傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)的束縛。而在今天，藍(lán)色巨人IBM發(fā)布的一份研究報告徹底改變了這一現(xiàn)狀，IBM研發(fā)出了名為“TrueNorth”的神經(jīng)元芯片，它真正的從“頭”開始，完完全全從底層模仿了人腦的結(jié)構(gòu)，而且用普通的半導(dǎo)體材料就能制造出來，相應(yīng)的報告已經(jīng)刊發(fā)在《科學(xué)》期刊上。
人腦的計(jì)算方式和傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)完全不同。在人腦中，神經(jīng)元相當(dāng)于處理器，一個成年人的大腦至少有數(shù)百億個神經(jīng)元，每個神經(jīng)元都與其它神經(jīng)元相連，它們的連接處被稱為突觸，突觸是人腦的存儲器，用計(jì)算機(jī)術(shù)語來說，這是一個極其龐大的分布式計(jì)算系統(tǒng)。這種處理器與存儲器緊密相連的結(jié)構(gòu)，讓人腦內(nèi)的通信效率非常高。這里的效率并不單指計(jì)算速度，還包括對外部信息的感知能力。
TrueNorth的4096個核心之間就使用了類似于人腦的結(jié)構(gòu)，每個核心包含了約120萬個晶體管，其中負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理和調(diào)度的部分只占掉少量晶體管，而大多數(shù)晶體管都被用作了數(shù)據(jù)存儲、以及與其它核心溝通方面。在這4096個核心中，每個核心都有自己的本地內(nèi)存，它們還能通過一種特殊的通訊模式與其它核心快速溝通，其工作方式非常類似于人腦神經(jīng)元與突觸之間的協(xié)同，只不過，化學(xué)信號在這里變成了電流脈沖。IBM把這種結(jié)構(gòu)稱為“神經(jīng)突觸內(nèi)核架構(gòu)”。
“不同于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的馮·諾伊曼架構(gòu)，我們將處理器（神經(jīng)元）與內(nèi)存（突觸）緊密結(jié)合在一起，能在并行計(jì)算中實(shí)現(xiàn)更高效的通信。”參與研發(fā)的IBM研究人員保羅·梅洛拉在論文里寫道。
跟科幻電影中那些的天馬行空的神經(jīng)元計(jì)算機(jī)不同，TrueNorth是一顆非常“實(shí)在”的芯片，它由三星代工生產(chǎn)，完完全全使用市面上現(xiàn)成的半導(dǎo)體技術(shù)制成，芯片的主要成分是沙子（或者說硅），沒有使用任何復(fù)雜的材料或生產(chǎn)工藝——換句話說，只要IBM愿意，三星可以像造Galaxy手機(jī)一樣把它量產(chǎn)出來。
“這是一個非常干凈、整潔的架構(gòu)，他們邁出了正確的一步。”擁有“神經(jīng)元芯片之父”頭銜的加州技術(shù)研究所工程師、名譽(yù)教授卡佛·米德評價道。對于高性能處理器來說，阻擋摩爾定律繼續(xù)前進(jìn)的另一個攔路虎就是功耗。在這個方面，TrueNorth神經(jīng)元芯片同樣做出了表率。
和人腦一樣，TrueNorth的每一個內(nèi)核都使用了事件驅(qū)動設(shè)計(jì)，也就是說，它不會一直運(yùn)行，只有在需要的時候才會啟動。 這樣設(shè)計(jì)讓芯片更加節(jié)能，標(biāo)準(zhǔn)處理器每平方厘米的功耗是50到100瓦，而TrueNorth每平方厘米的芯片只會消耗20毫瓦或千分之一瓦的能量。
成人大腦的功耗和一只燈泡差不多，卻比今天任何一臺超級計(jì)算機(jī)都能更準(zhǔn)確地識別語音和圖像。參與新架構(gòu)開發(fā)的IBM研究院科學(xué)家約翰·阿瑟說：“系統(tǒng)和芯片的架構(gòu)設(shè)計(jì)盡可能效仿腦內(nèi)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)榇竽X的架構(gòu)效率非常高。”IBM已經(jīng)開發(fā)出一臺神經(jīng)元計(jì)算機(jī)原型，它搭載有16顆TrueNorth芯片，其性能足夠?qū)崟r處理視頻。IBM對它進(jìn)行了一系列測試，結(jié)果讓人欣喜—— “神經(jīng)突觸內(nèi)核架構(gòu)”可以像普通處理器一樣快速識別圖像、區(qū)分場景，而消耗的能源要少得多。
在與斯坦福大學(xué)合作的一次“模糊邏輯”測試中，用TrueNorth芯片搭建的神經(jīng)元計(jì)算機(jī)對人、自行車、轎車、大巴、卡車有80%以上的識別率，更令人欣喜的是，TrueNorth芯片可以用30fps的速度播放高清流媒體視頻，而消耗的能源只有63毫瓦！
“沒有CPU、沒有GPU，但我們消耗的能源要低好幾個數(shù)量級”，測試負(fù)責(zé)人Dharmendra Modha說道，“它簡直就像是為了效率而生的有生命的機(jī)器，這是計(jì)算機(jī)發(fā)展史上一個新的里程碑。”美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室副主任霍斯特•西蒙指出：“高功率一直是阻礙大型計(jì)算機(jī)發(fā)展的最主要因素。而這種微芯片則讓我們相信，我們正站在計(jì)算機(jī)芯片架構(gòu)發(fā)生徹底變革的十字路口。”
從你每天都會用上的手機(jī)，到每秒運(yùn)算萬億次的超級計(jì)算機(jī)，目前幾乎所有的處理器都依據(jù)馮·諾伊曼架構(gòu)體系開發(fā)，在這種體系中，數(shù)據(jù)的存儲和處理是分開進(jìn)行的，處理器和內(nèi)存各司其職，程序向計(jì)算機(jī)發(fā)出一組指令，數(shù)據(jù)此次從硬盤、內(nèi)存、緩存、處理器寄存器中穿梭而過。
這樣的體系最符合人類工業(yè)化所帶來的生產(chǎn)條件，但它存在一些重大瓶頸——數(shù)據(jù)的傳輸路徑過于冗長，不同數(shù)據(jù)組之間的溝通成本高昂，而且整個計(jì)算過程非常消耗能源。
IBM開發(fā)的“深藍(lán)”超級計(jì)算機(jī)曾經(jīng)戰(zhàn)勝了國際象棋大師卡斯帕羅夫，但它依靠的并非智力，而是蠻力——擊敗卡斯帕羅夫的那臺“深藍(lán)”擁有90個機(jī)架，存儲的象棋數(shù)據(jù)庫超過1TB，每秒鐘能分析兩億種走法，然后選出最優(yōu)的那一步。但問題是，這些東西都是由科學(xué)家們教給它的，人們事先想好所有對策，“深藍(lán)”只負(fù)責(zé)按部就班的執(zhí)行。
“簡單說，馮·諾伊曼體系的計(jì)算機(jī)是一個又快、又笨的東西。事先編好程序，它能每秒完成數(shù)億次計(jì)算。但它想不出任何聰明的解題方法。”科學(xué)家邁克爾·特羅特這樣解釋人腦與計(jì)算機(jī)的差異。從馮·諾伊曼計(jì)算機(jī)被發(fā)明那一天開始，科學(xué)家們另辟蹊徑、開發(fā)其它計(jì)算機(jī)體系的嘗試就從來沒有停止過。很多人寄希望于模仿人腦——它是有史以來最復(fù)雜、最聰明的機(jī)器，TrueNorth的出現(xiàn)讓我們離這個夢想又近了一步。
