科技行者硅脑已来:我们距离真正的神经形态芯片还有多远?

硅脑已来:我们距离真正的神经形态芯片还有多远?

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2019年2月22日 科技行者
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虽然这些新兴的神经形态芯片仍然远不像人类大脑、甚至不如章鱼大脑那般强大,但在未来几年当中,预计众多机器智能方案将因此而迅速发展。

来源:科技行者 2019年2月22日

关键字:硅脑 神经形态芯片

硅脑已来:我们距离真正的神经形态芯片还有多远?

能够以机器为载体产生思想、情感与行为的硅脑似乎已经触手可及,这一波有望彻底颠覆人类历史的新浪潮正在酝酿当中。作为其重要前提,软件与硬件快速发展为下一代计算系统铺平了道路,而这些计算系统具有以人脑为模型的认知能力。相信当未来的人们回头看时,他们会将此视为一项重大的发展进化标志。

然而,如今越来越多人也开始逐渐意识到,快速发展的硅脑系统正从网络空间、地球空间乃至宇宙空间(三大空间,简称CGS)的环境中获取数据,并通过大量已知和未知的计算过程运行数据,从而指导计算机/机器的行为、感受或活动——但正是这种令人兴奋不已的做法,同时也给人类带来了更多问题:

  • 首先,我们目前还不清楚应该如何对硅脑上的信息进行处理、存储或者调取;
  • 另外,我们也不清楚计算机命令该如何根据这一现状进行调整以提高效率;
  • 最后,我们也完全不明白硅脑是如何在这三大空间当中体验其周围的感官世界,以及如何实现思考、感受与共情。

当我们在对这些问题进行评估的同时,科技行业也开始努力打造能够模仿人类大脑的神经形态芯片。此外还有一项倡议指出,我们应该创建基于章鱼脑部结构的神经形态芯片。虽然这些新兴的神经形态芯片仍然远不像人类大脑、甚至不如章鱼大脑那般强大,但在未来几年当中,预计众多机器智能方案将因此而迅速发展。其背后的原因很简单,因为这些芯片能够处理来自三大空间的可用感官数据,并据此实时发展自身能力以实现最终的目标。

对更高计算能力的需求

随着神经形态计算的快速发展,有个最重要的问题也随之出现——就是理解我们为什么有必要从传统芯片转向神经形态芯片。这个问题的答案相当复杂,但究其核心,主要由于现有及新兴技术正在加快全球计算资源的消耗——换言之,我们的计算资源无法满足当前需求。如今,随着人工智能、机器学习、区块链以及物联网等技术的全面落地,由此带来的大规模计算能力需求也开始凸显。更具体地说,这不仅需要更高的计算处理效率,同时也要求对硬件及软件做出对应调整。

相较于目前比较主流的通过更大服务器或云环境往来传输数据的计算方式,神经形态计算能够通过在芯片之内执行所有功能的方式解决持续算力问题。此外,神经形态计算还可由事件驱动,并且只在需要时才执行运算,这在性质上就与生物大脑更为相似。

总结而言,神经形态芯片与计算的兴起,为面向三大环境建立学习能力带来了最为关键的几大支持要素——低能耗、高性能、高弹性、高算力以及高能源效率。但与此同时,这又给我们带来了另一个重要问题:计算能力的增长对于国家经济又会带来怎样的影响?

神经形态计算芯片:人工智能与区块链的未来

神经形态计算芯片不仅代表着人工智能的未来,同时也将成为区块链的未来。因为这种新型芯片使我们能够开发出真正低能耗的加密与分布式系统。此外,它还有望实现跨国家的个人与实体间的整合——包括政府、行业、组织以及学术界(简称NGIOA)等,从而建立起新的连接、效率、协作、学习以及问题解决模式。而这同样带来了新的重要问题:神经形态芯片将如何改变跨国家发展过程中的思想、创新以及行为举措的实现方式?

多年以来,计算与软件科技已经取得了巨大的进步。然而到目前为止,这些发展的成果仍然主要集中在软件层面;相比之下,硬件领域的创新则相对有限。而神经形态计算与芯片则将成为计算机硬件发展的重要里程碑,使我们能够针对人类未来将面对的复杂问题,更有目的性地增强机器智能。

同时,随着计算能力的不断发展,各国仍需要着手评估这一最新技术的发展,从而率先探索并运用这种强大的计算芯片力量。许多人认为,对神经形态芯片的充分运用,甚至有望帮助国家数字基础设施得以抵御电磁频谱/电子战的破坏性影响。

新兴的片上系统

新兴的神经形态芯片使得智能机器得以理解并与网络空间、地球空间以及宇宙空间(三大空间)中的人类生态系统相互作用,这似乎代表着一项根本性的颠覆与创新。从新兴的SpiNNaker系统以及众多其它系统当中,我们已经观察到可喜的进展。另外,目前也存在着来自众多国家的大量有趣的应用研究计划,例如人类/章鱼硅脑内信息处理以及绿色加密货币计划等等。更重要的是,每一项相关举措都将使用自己独有的神经形态计算架构与方法。

人类大脑非常复杂,是一个拥有着1000亿个神经元的网络体系,而且如此庞大的神经元组织一直在以我们尚未完全了解的环境当中相互独立地运作,而即使是相对简单的章鱼大脑也同样遵循这种机制。

为了调节人体功能并响应外部刺激,人脑神经元还与电/生化网络与环境保持着和谐统一。此外,虽然时至今日人类在“什么是意识”这个议题上仍然存在着争议,甚至尚未完全理解其准确概念,但我们相信人类大脑所完成的很多结果都是以神经元排布作为基本处理环境。这时候新的问题又来了:关于神经元控制,我们了解多少?

多年以来,关于人类大脑基因组中的许多信息已经被解码;但着眼于大脑本身,相关理解仍然相当复杂并存在着大量未知数。更具体地讲,人类大脑有近90%是由神经胶质细胞而非神经元所组成;从这个角度看,我们对于神经胶质细胞的了解才刚刚起步。

那么,神经胶质细胞是否负责控制神经元?如果答案是肯定的,我们也需要创建硅胶质细胞——这些细胞或者说单元可能不仅需要清除神经元产生的分子垃圾,同时也会在学习及记忆等任务当中发挥作用,帮助修复受损的硅脑区域,甚至可能为神经元以及神经通路控制提供必要的生化环境。

现如今,人们仍然认为神经胶质细胞可以通过跨人类大脑区域间隙的方式彼此连接,并与神经元相互通信。那么,这种间隙连接到底有多重要?它们在硅脑系统中能够发生作用吗?考虑到人类大脑发生的几乎每一种病变都在一定程度上,甚至是完全源自神经胶质功能障碍时,我们是否也应该专注于神经形态芯片上的神经胶质细胞复制,从而防止可能由此引发的机器故障?而如果我们决定因此将硅神经胶质细胞排除在外,那又该如何创建出差异比例接近90%、但功能表达又与人脑相似的硅脑?采用硅神经胶质细胞,抑或是不采用,到底会对整个研究工作带来怎样的深远影响?

未来展望

人类/章鱼大脑与硅脑之间的分界线正在逐渐模糊。因此,当我们致力于构建/创建一个能够像人类大脑或者章鱼大脑那样思考的硅脑,确保其符合智能化标准并拥有立足芯片之上构建整体系统的潜力之时,评估这一探索方向所带来的承诺与潜在风险同样非常重要。如果不能解决这个问题,我们将永远无法真正立足计算机或者其它机器实现与人类/章鱼相似的智能属性。

最后需要再次强调:虽然硅脑的发展目标在于改进智能机器,从而确保其以更高效的方式处理各类复杂的系统性任务,但最终我们要解决的问题实际上是了解神经形态芯片中的物理过程是如何被转化为人类世界中的行为与感知。也许,这又将成为人类自我探索当中的又一个终极奥秘!


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