一種新型處理器及存儲技術(shù)的研究

摘要：針對半導體集成處理器在智能機器人中很難處理和模擬人類(lèi)思維活動(dòng)的問(wèn)題，提出了一種新型的處理器及存儲理念，該處理器可直接對超大規模的模擬信號進(jìn)行高速實(shí)時(shí)處理，以電子井作為最小存儲單元，并以電子束形式反應信號變化，產(chǎn)生實(shí)時(shí)模擬控制信號，為智能機器人處理器的設計提供了一種全新的思路。最后通過(guò)一個(gè)實(shí)例分析了處理器和存儲器的工作過(guò)程。
關(guān)鍵詞：處理器；存儲技術(shù)；電子井；智能機器人

0 引言
在上個(gè)世紀晶體管剛被發(fā)明的那幾十年里，科學(xué)家和工程師們都樂(lè )觀(guān)地預測人類(lèi)離智能化時(shí)代已經(jīng)不遠了，特別是日本的某些研究所更是樂(lè )觀(guān)地認為到了21世紀初那些科幻小說(shuō)里的場(chǎng)景將會(huì )在現實(shí)中重演，然而直到如今，世界上大部分的科學(xué)家和研究人員不得不承認，在現有知識基礎上，短期內是無(wú)法實(shí)現真正的人工智能的。
人類(lèi)對于機器人的研究早已有之，但正當各國科學(xué)家如火如荼地進(jìn)行機器人的智能化研究時(shí)，在21世紀這個(gè)信息爆炸的時(shí)期，科學(xué)研究似乎遇到了一段極為棘手的瓶頸時(shí)期，半導體和布爾代數并沒(méi)有顯示出其萬(wàn)能的一面，全球基本上沒(méi)有任何一種理論或者算法能賦予機器人生命，也就是說(shuō)現今機器人除了機械地按照人類(lèi)設定的程序和指令動(dòng)作外，不能擁有自我判斷能力。但人類(lèi)并沒(méi)有因此而放緩研究的腳步，日本一家公司曾從國內大學(xué)、公共研究所招聘了20多位腦科學(xué)、機器人專(zhuān)業(yè)的優(yōu)秀研究人員，組建了生命力學(xué)研究所，專(zhuān)門(mén)研究下一代智能機器人。該研究所的5年計劃指標是：把世界上腦科學(xué)最新理論編制成程序，用100多臺計算機并聯(lián)，處理各種高級信息，并把處理結果用無(wú)線(xiàn)技術(shù)傳輸給機器人本體，使之具有自我思考功能，靈活地對應周?chē)h(huán)境，進(jìn)行“人”與自然交流，從而進(jìn)行自律的智能動(dòng)作。雖然通過(guò)幾年的努力取得了不少成果，最終還是以失敗告終，僅僅證明了一個(gè)結論，人類(lèi)在現有知識基礎上短期內無(wú)法研制出擁有自我思考能力的機器人。
處理器作為機器人的心臟，也是整個(gè)硬件系統的控制指揮中心，負責對外界信號進(jìn)行判斷、分析、學(xué)習，并指揮整個(gè)系統的運轉，當然需要極高的信息處理能力和智能化。因此，智能機器人發(fā)展的關(guān)鍵就在于如何開(kāi)發(fā)出一種信號處理器來(lái)模仿人類(lèi)處理信息的能力，使機器人具有仿人類(lèi)的大腦。本文提出一種新型的處理器及存儲理念，即基于人類(lèi)大腦處理信息的方法，采用特殊的結構從而能夠直接對超大規模的模擬信號進(jìn)行高速實(shí)時(shí)處理，以電子井作為最小存儲單元，并以電子束形式反應信號變化，產(chǎn)生實(shí)時(shí)模擬控制信號。

1 對現今半導體集成電路的思考
半導體集成電路和微處理器的出現不僅深刻地改變了電子技術(shù)的面貌和原有的設計理論基礎，而且成為現代科學(xué)技術(shù)的重要基礎之一，人類(lèi)曾用它創(chuàng )造出自動(dòng)化程度極高的各種應用系統。但目前越來(lái)越多的科學(xué)家們認識到了半導體電路的缺陷，雖然它的速度越來(lái)越快，穩定性越來(lái)越高，應用領(lǐng)域越來(lái)越廣，然而當人類(lèi)試圖利用它去攀登人工智能的高峰卻只能遭受一次又一次的失敗。僅具有2種電平變化的數字電路具有穩定性高和易于處理的特性，這也決定了它需要用二進(jìn)制信息量轉換模擬信號的實(shí)際信息。對于信息量不是特別大的應用系統，只要縮短處理器的時(shí)鐘處理周期就能滿(mǎn)足信息的處理和傳遞，但對于人類(lèi)思維這種信息量極大和實(shí)時(shí)性要求極高的處理，數字量的信號很難模擬出高級思維活動(dòng)，就像ADC／DAC無(wú)法精確轉換非二進(jìn)制數一樣?，F今半導體處理器通過(guò)位數來(lái)提高精度與運算速度，也就是說(shuō)簡(jiǎn)單的整數和復雜的開(kāi)方數都必須占用同樣的位數，占用同樣的處理時(shí)間。而人類(lèi)思維是通過(guò)一系列的電流傳遞產(chǎn)生的，這種生物細胞間的電流信號是連續的，但如果換算成二進(jìn)制信號進(jìn)行處理，那么人腦的復雜程度將增加無(wú)窮倍，如此高精度的人類(lèi)生物神經(jīng)都無(wú)法處理，更何況沒(méi)有任何應變能力的數字集成電路了。
所以能高速實(shí)時(shí)處理大信息量的處理器必須直接對模擬信號做出響應，但是當眾多模擬量在單片上集成時(shí)，相互間的電磁干擾將使電路無(wú)法正常工作，于是用電流取代電壓，用電子束取代電流變化，以減輕干擾，并使功耗下降幾個(gè)數量級，最大限度地滿(mǎn)足運算需求。

2 新型信號處理器的框架結構與工作原理
作為一種仿生學(xué)的處理器與存儲技術(shù)都是建立在模擬信號處理的基礎上的，模擬信號如通過(guò)聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)、觸覺(jué)等傳感器采集的信號再通過(guò)放大、濾波、整形后送入處理器(Processor)，先通過(guò)一級轉換(Tra)，將電壓變化量轉換為電流變化量，即轉換為電子束信號，以配合處理器的處理，在處理的過(guò)程中激活學(xué)習功能(Study)，而學(xué)習功能區將需要記憶的信號送入可學(xué)習區，并通過(guò)燒寫(xiě)塊(Bypass)將一些數據寫(xiě)入學(xué)習記憶區(Learning store)，以備下一次直接調用。圖1為處理器的框架示意圖。