2014突破性科學(xué)技術(shù)研究：神經(jīng)形態(tài)芯片

　　本文為作者 Robert D. Hof 發(fā)表在 MIT TechnologyReview 網(wǎng)站上的《Neuromorphic Chips》一文，是《2014突破性科學(xué)技術(shù)》系列文章的第4篇，主要講述了高通等公司研發(fā)的微處理器可以像人腦一樣計算，這樣計算機就可以知道它們周?chē)l(fā)生了什么事情。

　　突破點(diǎn)：計算機芯片的另外一種設計方法，增強了人工智能的計算效率。

　　突破理由：傳統的芯片已經(jīng)接近理論性能極限。

　　主要參與者：高通、IBM、HRL 實(shí)驗室、人腦項目

　　一個(gè)名叫先鋒(pioneer)的小機器人緩緩地走到一張印有“美國隊長(cháng)”的地毯上。而在外面，周?chē)幸蝗喝丝粗?zhù)它。這里是高通實(shí)驗測試模擬的場(chǎng)景，模擬的是一個(gè)兒童的臥室。先鋒停了下來(lái)，好像是在測量周?chē)沫h(huán)境，然后像滾雪球一樣卷起了這張地毯，轉身，準備把它放到玩具箱里。高通的資深工程師 Ilwoo Chang 朝著(zhù)先鋒機器人擺動(dòng)雙手，示意它不應該放在這里。先鋒用它的攝像頭看著(zhù)這個(gè)手勢，然后聽(tīng)話(huà)地接受了這個(gè)命令。隨后它會(huì )回到剛才的位置，把地毯放下，發(fā)現了另外一個(gè)蜘蛛人玩偶。這一次，先鋒機器人直接沖向了玩偶，不顧周?chē)膰H象棋，在沒(méi)有人指導的情況下把玩具放到了箱子里。

　　在今年晚些時(shí)間，高通公司將揭露科學(xué)技術(shù)是如何植入到日常電子設備芯片中的。這些“神經(jīng)形態(tài)”芯片(之所以這么命名，是因為他們模擬了大腦)被設計成處理傳感器數據(圖像、聲音等)以及根據未編程的數據變化做出反應。這些芯片實(shí)現了人工智能領(lǐng)域需要幾十年才能完成的任務(wù)，讓機器可以像人一樣理解世界、與世界互動(dòng)。醫療傳感器和設備可以追蹤病人的生命體征，根據時(shí)間采取醫療對策，學(xué)會(huì )調整藥量，甚至可以及早發(fā)現病情。智能手機可以學(xué)習你接下來(lái)將要輸入的文字，然后在后臺設置提醒。Google 的自駕駛汽車(chē)或許不再需要駕駛員的幫助，掃地機器人永遠都不會(huì )卡在沙發(fā)下面。高通技術(shù)總監 Matthew Grob 說(shuō)：“我們正在模糊芯片和生物系統之間的隔閡。”

　　高通的芯片需要到 2015 年才能上市，今年，高通公司將向研究者發(fā)放芯片讓他們測試。只要高通一發(fā)貨，“零計劃”將成為第一個(gè)大規模神經(jīng)模型計算商用平臺。高通公司也將在許多大學(xué)和研究機構之前實(shí)現這些功能，比如說(shuō) IBM 實(shí)驗室和 HRL 實(shí)驗室。這兩家已經(jīng)花了 1 億美元來(lái)為美國國防部高級研究項目局研發(fā)神經(jīng)形態(tài)芯片。此外，歐洲人腦項目聯(lián)合海德堡大學(xué)和曼徹斯特大學(xué)的研究者也花了 1 億歐元來(lái)研究神經(jīng)形態(tài)項目。另外一個(gè)德國小組最近報告說(shuō)利用神經(jīng)形態(tài)芯片和軟件模擬了昆蟲(chóng)的氣味處理系統，可以通過(guò)聞花來(lái)判斷植物種類(lèi)。

　　今天的計算機使用了所謂的“馮諾依曼架構”，即數據在處理器和內存之間來(lái)回計算。這種方法非常適合數字運算和執行編寫(xiě)好的程序，但是不適合處理圖片、聲音和其他可以感知到的內容。2012 年，Google 公司的人工智能軟件在未告知機器什么是“貓”的情況下，利用多達 1.6 萬(wàn)個(gè)處理器成功識別出了貓。

　　為了讓這些處理器提高性能，制造商往芯片里塞入了更多的晶體管、緩存、數據通道，但是芯片工作時(shí)干生的溫度限制了芯片的運算速度，而在移動(dòng)領(lǐng)域，對于電源的要求就更嚴格了。這就限制了設備不能有效地處理圖像、聲音和其他感官數據，也不能用來(lái)很好地進(jìn)行面部識別或機器人、車(chē)輛導航。

　　除了高通，沒(méi)有人能更好地解決這些芯片所面臨的物理挑戰?，F在的移動(dòng)設備對性能的需求越來(lái)越大。但是現在的私人助手，比如蘋(píng)果的 Siri、Google 的 Google Now 等，功能都很有限，因為設備性能不夠，必須將數據發(fā)送到云端進(jìn)行處理。領(lǐng)導“零計劃”的高通技術(shù)副主席 Jeff Gehlhaar 說(shuō)：“我們就是要硬碰硬。”

　　人腦有幾十億神經(jīng)元、幾千億個(gè)突觸，可以同步處理視覺(jué)、音頻等信號，神經(jīng)形態(tài)芯片在芯片中模擬人腦同步處理多種數據的能力。根據圖像、聲音或其他信號的變化，神經(jīng)元可以改變與其他神經(jīng)元之間的聯(lián)系。這一過(guò)程被叫做學(xué)習。這些神經(jīng)形態(tài)芯片模擬的是人腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，可以實(shí)現人腦的部分功能。這就是為什么高通的機器人在不知道蜘蛛俠是誰(shuí)之前就能將其放到準確的位置。

　　高通可以在智能手機芯片中加入“神經(jīng)處理單元”來(lái)幫助處理傳感器數據，比如圖像識別。

　　即便神經(jīng)形態(tài)芯片的能力還遠不人腦，它處理感官數據、學(xué)習數據變化的能力比任何計算機都要快。人腦啟發(fā)軟件公司 Numenta 創(chuàng )始人 Jeff Hawkins 說(shuō)，如果像 Google 那樣使用傳統的計算機運行特殊的軟件來(lái)模擬人腦的話(huà)，這樣智能設備的效率也太低了，“人工智能絕對不能靠軟件來(lái)實(shí)現，需要用芯片來(lái)完成。”

　　神經(jīng)通道

　　智能手機的普及也讓高通開(kāi)始有底氣，高通現在的市值已經(jīng)超過(guò)了 Intel。這中間的原因可能與高通掌握的幾百項無(wú)線(xiàn)通訊專(zhuān)利有關(guān)?，F在高通準備進(jìn)行下一輪突破。第一步就是與 Brain Corp. 公司合作，高通投資了這家在模擬人腦算放上有杰出成就的神經(jīng)科學(xué)創(chuàng )業(yè)企業(yè)。“零項目”在立項之初事是想為機器人服務(wù)，讓機器人能與真實(shí)世界進(jìn)行互動(dòng)，有了成果之后便可以用在智能手機或者其他產(chǎn)品上。“零項目”出自艾薩克?阿西莫夫的第零條機器人法則：機器人不得傷害人類(lèi)整體， 也不得因為不采取行動(dòng)而使人類(lèi)整體受到傷害。

　　神經(jīng)形態(tài)芯片的概念要回溯到幾十年前。1990 年，加州理工學(xué)院名譽(yù)教授 Carver Mead 在一篇論文中給出了它的定義，“模擬芯片不同于只有二進(jìn)制結果(開(kāi)/關(guān))的數字芯片，可以像現實(shí)世界一樣得出各種不同的結果，可以模擬人腦神經(jīng)元和突觸的電子活動(dòng)。”但是他卻沒(méi)法完成設計這種模擬芯片的任務(wù)。只有一家名為 Audience 的公司研發(fā)出了一種有爭議的神經(jīng)形態(tài)芯片，可以抑制噪聲，已經(jīng)賣(mài)出了幾億片。這些芯片基于人的耳蝸而設計，可以像人一樣隔絕噪音，只聽(tīng)人聲，已經(jīng)被用在蘋(píng)果和三星等品牌的手機上。

　　作為一家商業(yè)公司，高通公司希望產(chǎn)品設計實(shí)用性大于性能表現。這也就意味著(zhù)高通的神經(jīng)形態(tài)芯片依舊是在數字芯片上開(kāi)發(fā)的，這樣做比研發(fā)模擬芯片更簡(jiǎn)單，生產(chǎn)更容易。模擬芯片要完成的模擬大腦，而高通的芯片模擬的是大腦的行為。比如，神經(jīng)形態(tài)芯片編程、傳輸數據的方式模擬大腦處理感官數據處理時(shí)的電子脈沖。“零項目”工程師 M. Anthony Lewis 說(shuō)：“即便還是以數字的形式來(lái)完成，我們已經(jīng)可以復制大腦的很多行為。”

　　這批芯片也非常符合高通現有的業(yè)務(wù)，雖然說(shuō)高通現在已經(jīng)在智能手機領(lǐng)域占據老大的地位，但是收入增長(cháng)開(kāi)始減緩。高通梟龍移動(dòng)處理器可以加入“神經(jīng)處理單元”來(lái)負責處理感官數據、完成圖像識別和機器人導航的任務(wù)。因為高通有很大一部分收入來(lái)自于向其他公司授權專(zhuān)利使用權，所以它還可以向這些企業(yè)出售神經(jīng)形態(tài)芯片算法的使用權。這樣這種芯片就可以用在視覺(jué)、動(dòng)作控制等其他應用領(lǐng)域。

　　認知伴侶

　　Matthew Grob 對于智能手機的進(jìn)步感到震驚，隨后又開(kāi)始感到煩惱，有一次會(huì )議中，手機突然響了，因為他之前去過(guò)西班牙，然后西班牙那個(gè)時(shí)區設置了一個(gè)鬧鐘，但是在回到公司開(kāi)會(huì )時(shí)，這個(gè)手機以為自己還在西班牙，就又響了。這個(gè)例子說(shuō)明，我們的時(shí)智能設備離智能還很遠。Grob 想象著(zhù)，未來(lái)有一天，這個(gè)手機又響了，他對這手機喊了一句“不許在這個(gè)時(shí)候響!”，這樣手機就知道換了時(shí)區，不會(huì )再搞錯。

　　高通認為神經(jīng)形態(tài)芯片可以讓智能手機等移動(dòng)設備變成用戶(hù)的認知伴侶，關(guān)注用戶(hù)的行為和環(huán)境，學(xué)習用戶(hù)的習慣，由此可以產(chǎn)生許多可能。高通研究實(shí)驗室的商業(yè)開(kāi)發(fā)總監 Samir Kumar 說(shuō)：“如果你和你的設備能共同步感知環(huán)境，設備對于你的目的和需求的理解就會(huì )更好。”

　　Kumar 又舉了一個(gè)例子：如果你在手機的照片上圈出了自己的寵物狗，那么之后所有出現寵物狗的圖片都會(huì )被圈上;在足球比賽中，你可以告訴手機，當孩子快要射門(mén)的時(shí)候記得拍照;在睡覺(jué)的時(shí)候，手機能知道將所有電話(huà)都轉成電話(huà)錄音。簡(jiǎn)而言之，智能手機將成為人的數字第六感。

　　高通公司的高層并不愿意在產(chǎn)品正式發(fā)布之前公布更多細節。但是神經(jīng)形態(tài)研究者對此卻可以侃侃而談。根據 IBM 實(shí)驗室的研究院 Dharmendra Modha 的描述，這種芯片可以讓盲人通過(guò)視覺(jué)和音頻傳感器來(lái)識別物體，提供音頻提示;健康監測系統可以檢測生命體征，及早發(fā)現潛在的風(fēng)險，為病人提供個(gè)性化的治療手段;計算機可以根據風(fēng)向、潮向和其他數據來(lái)更準確地預測海嘯。HRL 實(shí)驗室的首席研究科學(xué)家 Narayan Srinivasa 計劃在夏天測試一種神經(jīng)形態(tài)芯片，它植入到鳥(niǎo)類(lèi)設備的體中，可以根據室內環(huán)境飛行。這一芯片處理來(lái)自攝像機和其他傳感器的數據，能記住飛過(guò)的房間，學(xué)會(huì )導航，以后可以應用在無(wú)人機上。

　　程序員利用硬件開(kāi)發(fā)出優(yōu)秀的軟件還需要一些時(shí)日。人工智能創(chuàng )業(yè)公司 Vicarious 的聯(lián)合創(chuàng )始人 Dileep George 說(shuō)：“讓硬件公司來(lái)做科研為時(shí)尚早。”高通公司也表示，“產(chǎn)品商用也需要時(shí)日。”但是他們今年要發(fā)布的技術(shù)可以將這些產(chǎn)品變成現實(shí)，更進(jìn)一步。