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【新浪科技综合】以假乱真的硅神经元，能复制人脑吗？新浪科技综合2020-07-17 09:57:310阅( 二 )


问题全在于架构
加州理工学院的科学家卡弗·米德（Carver Mead）在20世纪80年代创造了“神经形态”（neuromorphic）一词 ， 因为他注意到 ， 与作为现代计算机芯片构件的数字晶体管不同 ， 模拟晶体管更接近神经元的生物物理性质 。 具体来说 ， 仿真电路中非常微小的电流（微小到电路实际上处于 “关闭 ”状态）表现出类似于生物神经元中离子流过通道的动力学性质 ， 而这种流动并不导致动作电位 。
贾科莫·因迪维里（Giacomo Indiveri）对米德及其同事们的工作很感兴趣 ， 90年代中他决定到加州理工学院做博士后研究 。 现在 ， 因迪维里是瑞士苏黎世大学的一名神经形态工程师 ， 他所领导的研究小组是少数几个延续米德使用低电流模拟电路方法的研究小组之一 。 因迪维里和他的团队手工设计芯片的布局 ， 这个过程可能需要几个月的时间 。 他说道：“因为我们试图提出巧妙的解决方案来实现神经动力学 ， 这仍然是铅笔和纸张的工作 。 如果你在做模拟 ， 那么这在很大程度上仍然是一门艺术 。 ”
一旦确定了布局 ， 他们就会将设计通过电子邮件发送给代工厂 ， 这是一家制造智能手机和电脑芯片的精密金属铸造工厂 。 最终的结果看起来大致上就像智能手机芯片一样 ， 但它的功能就像“神经元”组成的网络 ， 通过几个节点传播电脉冲 。 在这些模拟神经形态芯片中 ， 信号是通过实际的电脉冲来中继的 ， 这些脉冲的强度可以不同 。 就像在脑中一样 ， 信息是通过不同神经元的脉冲定时（timing）来传递的 。
因迪维里说道：“如果你把其中一个神经元的输出给神经生理学家看 ， 他将无法告诉你这究竟是来自硅神经元还是来自生物神经元 。 ”
这些硅神经元代表了复制神经系统有机湿件（wetware）的不完美尝试 。 生物神经元是模拟-数字混合系统；它们的动作电位模仿数字硬件的离散脉冲 ， 但它们也是模拟的 ， 因为神经元中的电压水平会影响传输的信息 。
模拟神经形态芯片的特点是硅神经元与生物神经元的物理行为非常相似 ， 但它们的模拟性质也使它们传输的信号不那么精确 。 虽然在进化上我们的脑已经找到了补偿其组件不精确的方法 ， 但研究人员却将其基本概念带入了数字领域 。 IBM和英特尔等公司都专注于数字神经形态芯片 ， 其硅神经元复制了生物神经元中的信息流动方式 ， 但物理原理不同 。 之所以采取不同的物理原理 ， 这和传统数字芯片占据了我们绝大多数计算机和电子产品的原因相同 ， 缘于其更高的可靠性和更容易制造 。
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图2/6-JeremyUNISEM欧洲有限公司 -构建模块：每个SpiNNaker芯片与存储器封装在一起（左上角） ， 然后拼接成较大的设备 ， 如右上角的48节点板 。 多个板子可以连接在一起 ， 形成更大的SpiNNaker系统（上图） 。
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图3/6曼彻斯特大学 ， 史蒂夫·弗伯（Steve Furber）和同事们但这些数字芯片在体现脑架构的方式上保持了其神经形态状态 。 在这些数字神经形态芯片中 ， 锋电位以信息包的形式出现 ， 而不是实际的电压变化脉冲 。 戴维斯说道：“这与我们传统上在计算机里设计的所有东西都有很大的不同 。 ”
不管锋电位的形状如何 ， 系统只有在输入达到一定阈值时才会转发信息 ， 这使神经形态芯片得以间断地少量消耗电力 ， 而非不间断地大量消耗 。 这类似于脑的神经元在任何时候都会进行交流 ， 而不是听从计时员的命令 。 另一方面 ， 传统芯片大多是线性的 ， 在严格的内部时钟控制下 ， 在存储数据的存储硬件和计算数据的处理器之间穿梭往返传递数据 。
当莫达在设计IBM的神经形态芯片（名为“真北”）时 ， 他首先分析了猕猴和人脑中的长距离布线图 ， 该图映射了不同脑区之间的连接方式<2> 。 他说道：“它真正开始告诉我们长距离连接、短距离连接 ， 以及关于神经元和突触的动力学性质 。 ”到2011年 ， 莫达创造了一个包含256个硅神经元的芯片 ， 与蠕虫秀丽隐杆线虫（C.elegans）的脑规模相同 。 利用最新的芯片制造技术 ， 莫达将神经元包装得更加紧密 ， 以缩小芯片的体积 ， 并将这些芯片中的4096个芯片平铺在一起 ， 最终在2014年发布了真北 ， 它包含100万个合成神经元 ， 这与蜜蜂脑的规模差不多 ， 而且功耗比传统芯片低几百倍<3> 。
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图4/6- Matt Chinworth -真北等神经形态芯片的人工神经元之间具有非常高的连接性 ， 类似于在哺乳动物脑中看到的情况 。 大规模并行的人脑的850亿个神经元通过大约1万亿个突触高度互联 。
真北要简单得多 ， 其中有2.56亿个 “突触” ， 连接其100万个神经元 。 通过将多个真北芯片拼接在一起 ， 莫达创造了两个更大的系统：一个仿真了1600万个神经元和40亿个突触 ， 另一个有6400万个神经元和160亿个突触 。 目前许多机构的200多名研究人员可以免费使用真北 。


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