大腦晶元

幾十年來，科學家一直“訓練”電腦，使其能夠像人腦一樣思考。這種挑戰考驗著科學的極限。IBM公司的研究人員18日表示，在將電腦與人腦結合在一起的研究道路上，他們取得了一項重大進展。

這家美國科技公司研製出兩個晶元原型，與此前的PC和超級計算機採用的晶元相比，這些晶元處理數據的方式與人腦處理信息的方式更為接近。這兩個晶元是一項為期6年的項目取得的一項具有里程碑意義的重大成就。共有100名研究人員參與這一項目，美國政府的國防高級研究計劃局(DARPA)提供了4100萬美元資金。IBM的投資數額並未對外公布。

兩個晶元原型提供了進一步證據，證明“平行處理”日益提高的重要性。平行處理具體是指電腦同時處理多個任務。多任務處理對渲染圖片和處理大量數據非常重要。迄今為止，這兩個晶元僅用於處理一些非常簡單的任務，例如操控一輛模擬車穿過迷宮或者玩《Pong》。它們最終走出實驗室並應用於實際產品可能需要10年或者更長時間。

技術人員便希望研製能夠像人腦一樣學習的電腦。iPhone或者谷歌伺服器編程后能夠根據以往的事件預測確定行為。IBM和其他公司及大學實驗室研發的技術圍繞“認知計算”展開，提高晶元處理意想不到的信息的能力。IBM之所以研發這種晶元是因為它們能夠潛在地幫助處理現實世界的信號，例如溫度、聲音或者運動，用以提高電腦的功能。

在將發電站或者交通信號燈等實體基礎設施與伺服器或者軟體等信息技術結合，幫助管理它們的功能方面，總部設於紐約的IBM扮演著領導者角色。類似這樣的研究計劃能夠研製出性能更為出色的工具，用於監視存在於這些環境下的無數模擬信號。IBM晶元研製項目領導人達曼德拉·摩德哈表示，新型晶元的組件就像是數字神經細胞和數字突觸，因此有別於其他晶元。每一個核或者處理器引擎都擁有計算、通訊和存儲功能。他說：“我們不得不拋棄自己了解的有關晶元設計的所有東西。關鍵的差異是存儲器和處理器，它們非常緊密地結合在一起。這些晶元并行計算的規模可以用‘龐大’形容。”

2009年，IBM宣布他們成功利用一台超級計算機模擬貓的大腦皮層。大腦皮層是進行思考和邏輯推理的部位。模擬貓的大腦皮層和研製新型晶元屬於同一項研究計劃。藉助於性能更卓越的超級計算機，IBM曾於2006年成功模擬老鼠大腦40%的區域，2007年成功模擬整個老鼠大腦，2009年成功模擬人腦大腦皮層1%的區域。

美國生物學家吉爾˙阿特馬（Jelle Atema）於2006年完成了一項令人瞠目結舌的實驗——將一條角鯊腦中植入一個電子元件，以影響鯊魚的行為。

當吉爾˙阿特馬操縱遙控器時，鯊魚彷彿聞到了某種根本不存在的氣味。例如，按下“右”鍵，鯊魚大腦中通常處理右鼻孔嗅覺信息的區域就會受到電流刺激，鯊魚就像真的聞到右邊有誘人的食物一樣，其大腦灰質細胞開始運作，並向自己發出吃飯的指令。於是鯊魚便真的向右邊游去。但吉爾˙阿特馬也指出，目前自己還不能完全控制鯊魚的大腦，只能控制鯊魚的左右轉。

約翰˙查平(John Chapin)也在老鼠身上完成了類似的實驗。

1920年，生物學家沃特˙ 赫斯(Walter Hess)用電流刺激貓的大腦，成功地將一隻原本溫順的貓變得兇狠好鬥。

1950年，大腦專家胡塞 ˙德爾加多（Jose Delgado）依靠一部記錄他自己鬥牛場面的影片一舉成名。在片中，一頭公牛奮力向他衝去，在幾乎被牛頂翻之際，他啟動遙控器……公牛突然出現一副恐懼的樣子，掉頭而去。

首例人腦晶元出現在1950年，胡塞 ˙戴爾卡多嘗試在人類身上進行此項操作：通過輕微刺激人腦的某一部分而改變人的情緒，甚至控制人的一條胳膊或腿。最終這項實驗因為有悖倫理而終止。

但從此之後，用電流刺激大腦的方法被證實可以用來治療某些疾病。例如，始於30多年前的人工耳蝸植入術可以令一些失聰的人恢復部分聽力。

目前，這一領域的研究又重新成為熱點。有些科學家甚至設想通過一些裝置，使人得以依靠思維控制機器的運行。已經有一些癱瘓病人利用植入腦中的電極，成功地做到這點。

日前，由瑞士、德國和美國的科學家組成的研究小組首次成功研發出一種新奇的微晶元，能夠實時模擬人類大腦處理信息的過程。這項新成果將有助於科學家們製造出能同周圍環境實時交互的認知系統，為神經網路計算機和高智能機器人的研製提供強有力的技術支撐。

以前的類似研究都局限於在傳統計算機上研製神經網路模型或在超級計算機上模擬複雜的神經網路，而新研究的思路是：研發在大小、處理速度和能耗方面都可與真實大腦相媲美的電路。研究小組成員基爾克莫·因迪韋里表示：“我們的目標是直接在微晶元上模擬生物神經元和突觸的屬性。”

做到這一點面臨的主要挑戰，是配置由人造神經元組成的網路，讓其能執行特定的任務。研究小組現在已經成功地攻克了這一“碉堡”，他們研發出一種被稱為“神經形態晶元”(neuromorphic chips)的裝置，能夠實時執行複雜的感覺運動任務，並藉助這一裝置，演示了一個需要短期記憶力和依賴語境的決策能力的任務，這是認知測試所必需的典型特徵。

研究小組把神經形態神經元與利用神經處理模塊——相當於所謂“有限自動機”的網路相結合。有限自動機是一個用來描述邏輯過程和計算機程序的數學概念。行為可以表示為有限自動機，由此以自動化的方式轉給神經形態硬體。因迪韋里說：“網路連接模式非常類似於在大腦中發現的結構。”

由於神經形態晶元可以實時處理輸入的信息並作出回應，有關專家認為這項技術將有望走向實用化，從而允許機器人在複雜環境中，在不受人類遠程遙控的情況下實現自動作業。

這項技術的採用還將有望在未來讓計算機能夠在有部件損壞的情況下繼續運作，就像人類的大腦那樣，每天損失數以百萬計的腦細胞，但是其整體的思維能力卻仍然繼續正常運轉。

歐盟、美國和瑞士目前正在緊鑼密鼓地研製模擬大腦處理信息的神經網路計算機，希望通過模擬生物神經元複製人工智慧系統。這種新型計算機的“大腦晶元”迥異於傳統計算機的“大腦晶元”。它能運用類似人腦的神經計演演算法，低能耗和容錯性強是其最大優點，較之傳統數字計算機，它的智能性會更強，在認知學習、自動組織、對模糊信息的綜合處理等方面也將前進一大步。

不過也有人表示了擔憂：裝上這種晶元的機器人將來是否會在智能上超越人類，甚至會對人類造成威脅？

不少科學家認為，這類擔心是完全沒有必要的。就智能而言，目前機器人的智商相當於4歲兒童的智商，而機器人的“常識”比起正常成年人就差得更遠了。美國科學家羅伯特·斯隆日前說：“我們距離能夠以8歲兒童的能力回答覆雜問題的、具有常識的人工智慧程序仍然很遙遠。”日本科學家廣瀨茂男也認為：即使機器人將來具有常識並能進行自我複製，也不可能對人類造成威脅。值得一提的是，中國科學家周海中在1990年發表的《論機器人》一文中指出：機器人並非無所不能；它在工作強度、運算速度和記憶功能方面可以超越人類，但在意識、推理等方面不可能超越人類。另外，機器人會越來越“聰明”，但只能按照制定的原則綱領行動，服務人類、造福人類。（作者系德國慕尼黑大學博士后）