类脑芯片

深蓝色的畅想

类脑芯片：让计算机像人一样聪明的核心技术

细心的人会注意到，自然界有许多体型很小的昆虫，能够实时跟踪物体、导航和躲避障碍物。它们的神经元只有几万、几十万个，与之相比，人类大脑的神经元数量和复杂功能更令人惊叹。如果能在芯片上模拟这些大脑，必然可以系统提升计算机的整体能力。正是基于这一想法，类脑芯片应运而生，它是建造类脑计算机最关键的部件，可以说是人类大脑的硬件电路形式。类脑芯片主要负责模拟大脑神经元的功能特性、信号传递和学习方式，让计算机在低电能消耗情况下完成感知、学习、记忆、决策等智能任务。

研制理想的类脑芯片，需要在多个学科中寻找突破口。比如从材料层面探索类生物物质，从器件层面构造神经元与突触，从电路层面实现神经网络的连接，从算法层面研究大脑的思考能力，等等。目前，类脑芯片研究有3个主攻方向。

一是寻找工作行为特性与大脑神经元相似的纳米器件。类脑芯片由大量更小的电子器件组成，这些器件每个仅几十纳米到几百纳米大小，被称为纳米器件。长期以来，研究人员不断寻找与构造合适的纳米器件。如一类叫作忆阻器的纳米器件，其纳米夹层中的离子运动可以改变器件的工作状态，这与大脑神经元及突触细胞膜中所包含的离子通道的作用相似。有些忆阻器可以一直保持这样的工作状态，即使断电了也不会丢失，就跟人的记忆一样。

二是设计适合类脑芯片的新型计算体系架构。有了上亿甚至上百亿个类脑纳米器件后，还要使它们都按照人们需要的行为模式协同工作，即要形成与类脑芯片运行相匹配的体系架构。目前最常见的计算芯片（CPU）均是在冯·诺伊曼体系架构下建立的。这种架构的最大特点是“存算分离”，即存储单元和计算单元是分开的，好比编曲和演奏是分开的。程序员像是作曲家，编程好比编曲，写有程序的存储器就像曲谱本，操作者则像是演奏家，其运算好比演奏，乐器就是具备计算能力的计算单元。一个计算单元可以根据存储器里的不同程序执行不同任务，就像同一台钢琴可以演奏不同曲子一样。与此原理不同的是，生物大脑并不区分存储区和计算区，而是集“作曲家、曲谱本、演奏家和演奏工具”于一体。它是信息的存储者，也是信息的处理者，还是信息的创造者，具有自我学习、思考、创新创造等能力。

三是解决类脑芯片的能效问题。研究发现，人脑是一部能效极高的“计算机”，若用现在的计算机去处理人脑承担的任务，粗略估计需要高达100兆瓦的功耗，是人脑功耗的500万倍。人脑可以低能量消耗运行的原因之一，就是存算一体的机制最大程度减少了数据的传输需求与传输距离，节约了传统计算架构中计算单元和存储单元间通信所消耗的时间和能量。因此，类脑芯片不仅能够像人脑一样根据外界动态信息做出反应并不断学习，还可以在无信息输入的时候进入“休息”的省电状态。