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神经神经元大脑科学家设计出“芯片上的大脑”原型 超越大脑

人类大脑常常被喻为计算机,但是人脑不用任何软件是怎样运行的?欧洲研究人员说,一个全新的神经计算领域将为您解开答案。他们已经设计出了一个“芯片上的大脑”原型,这是未来神经计算机的雏形。

德国海德堡大学的物理学家卡尔海因茨·迈尔正在协调由欧盟支持的FACETS项目,该项目汇集了来自7个国家15个研究院所的科学家来从事该项研究。得益于神经科学研究的成果,他们正在构建一台像大脑一样工作的神经计算机,但规模要小得多。迈尔说:“我们都知道大脑具有神奇的运算本领。我们即将开发的系统将借鉴大脑的生物学知识,也许将成为新一轮信息技术革命的一部分。”

人类大脑和日常使用的计算机在3个方面具有明显的不同:消耗功率非常小;即使在部件失效时也能运行良好;不用任何软件就能工作。

那么它又是如何进行运算的呢?还没有人知道。不过,FACETS的一个研究小组正在对大脑细胞———神经元进行详尽的研究,以期找出它们到底是如何工作的,它们之间是如何相连的,这些网络又是如何“学会”做新事情的。

测绘脑细胞

迈尔说:“我们现在的处境极像是分子生物学家在几年前面临的境况,那时人们开始绘制人类基因组,并获取有用的数据。我们的同事现在也正在记录神经组织的数据,来描绘神经元和突触以及它们的连接。这项工作近乎工业规模,要记录许许多多神经细胞的数据,然后将其放入数据库中。”

同时,另一个FACETS小组则正在开发简化的数学模型,以精确地描述正被揭示的这些复杂行为。虽然这些神经元可进行详细建模,但是它们实在是过于复杂,因而无法用软件或硬件来加以实施。

研究人员的目标是要利用这些模型制造出一台可模拟大脑的“神经计算机”。第一步就是在单个芯片上建立一个由300个神经元和50万个突触组成的网络。研究小组使用模拟电子来代表神经元,利用数字电子来代表它们之间的通信。这是一个独特的组合。

因为神经元是非常小的,所以这个系统要比生物等效法快10万倍,比软件模拟快1000万倍。迈尔说:“我们可在1秒钟内完成1天的模拟量。”

目前,研究人员可在互联网上使用该网络开展工作,而无需亲身前往海德堡。

新型计算

但是,这个“第一阶段”的网络是在测绘和建模工作得出成果之前设计的。目前,研究小组正在构建“第二阶段”网络,新网络中包含了20万个神经元和5000万个突触,这将纳入迄今为止神经科学的所有发现。

研究小组在20厘米的单硅片上建立了该网络,这种硅片通常用在批量生产芯片过程的切割和封装之前。此做法将有助于制成更紧凑的设备。

此前,“圆片规模集成”从未这样使用过,因为如此大的电路必将产生制造缺陷。迈尔指出:“我们的芯片会有缺陷,但每个缺陷可能只会影响到网络中的一个突触或一个连接。我们利用了容错原理,使整个圆片成为一个神经网络。”

神经计算机又是如何使用的呢?迈尔强调,制造数字计算机的原理并不能简单地套用到大脑建模设备上。要使它们工作须有一个全新的计算理论。FACETS的另一个小组正在就此开展工作。

超越大脑

一台真正实用的神经计算机离我们可能还需5年的时间。迈尔说,第一步也许是在你的家用计算机中加入一个小设备,它能处理非常复杂的输入数据并提供一个简单的结果,一个典型的应用可能就是互联网搜索。

从长远来看,哪里需要作出复杂和困难的决定,哪里就会有神经计算机的身影。比方说,公司可在作出重要的商业决策时,用神经计算机来评估此决策的效果。在今天暗淡的经济气候下,许多公司都会希望拥有一台这样的计算机吧!

那么,神经计算机的发展最终将向哪里去?迈尔指出,神经计算机的低功耗和容错性,也许可将其部件的尺寸降至分子大小。“这样,我们就能制造出完全不同的计算机设备,它们具有优异的性能,在某些时候,它们的表现也许可与大脑媲美,甚至超越大脑。”


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