用计算机复刻大脑

作者丨Cactus

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来源丨人民数字与品玩联合出品

9月1日，浙江大学与之江实验室共同发布了我国首台基于自主知识产权类脑芯片的类脑计算机Darwin Mouse。

Darwin Mouse包含792颗浙江大学研制的达尔文2代类脑芯片，支持1.2亿脉冲神经元、近千亿神经突触，与小鼠大脑神经元数量规模相当。相比传统计算机的高能耗问题，它的典型运行功耗只需要350至500瓦。

目前它是全球神经元规模最大的类脑计算机，这一成果也标志着我国类脑计算技术发展迎来新的里程碑。

让机器无限模仿人类，模拟大脑的机制和结构是人工智能最重要的发展方向，因此在计算机发展方向上，借鉴人脑信息处理方式，来打破“冯·诺依曼架构”就是大势所趋。

在传统构架中，计算模块和存储单元相互分离，CPU在执行命令时必须先从存储单元中读取数据，处理能力明显受限。

因此科学家们将目光聚焦在人类大脑，希望仿真、模拟和学习借鉴人脑的神经系统结构和信息处理过程，构建出实现高能效与高智能水平的计算系统：类脑计算机。

▲Darwin Mouse研究团队

Darwin Mouse与它的大脑

类脑计算机Darwin Mouse目前还是“大块头”，它高1.6米，由3个标准服务器机箱组成，从外观看来，红色信号灯闪烁不停。

它的体内有792颗我国自主产权的达尔文2代类脑计算芯片，每颗芯片上有15万个神经元，每4颗芯片为一组做成一块板子，若干块板子连接成一个模块，然后这些模块像搭积木一样组建成类脑计算系统。

▲类脑计算机Darwin Mouse

为什么说它“类脑”，项目研究骨干马德副教授解释道，大脑神经元的工作机理是钾离子钠离子的流入流出导致细胞膜电压变化，从而实现信息传递。类脑计算机芯片的运作原理就类似这种生物的神经元行为，通过脉冲传递信号，这样就能实现高度并行，效率提升。

当然，要实现这么多神经元的高效联动组合，同时把杂乱无章的信息流有序分配到对应的功能脑区，还需要一个管理中枢。为此科研人员专为Darwin Mouse研发了类脑操作系统：DarwinOS。

这个“大脑中枢”用以实现对类脑计算机硬件资源的有效管理与调度，支撑类脑计算机的运行与应用。据悉这款达尔文类脑操作系统的功能任务切换时间达微秒级，可支持亿级类脑硬件资源管理，既可以应用于生活中的智能任务处理，也可以应用于神经科学研究。

▲Darwin Mouse的类神经元芯片

Darwin Mouse像大脑一样“思考”

让计算机拥有人类大脑的思考能力，是提升其智能水平的重要方向。目前Darwin Mouse类脑计算机已经实现了多种智能任务。

比如研究者将类脑计算机作为智能中枢，实现抗洪抢险场景下多个机器人的协同工作。通过演示视频，我们能看到，通过类脑计算机系统，3台机器人分工明确开展抗洪抢险任务：1号通过自带摄像头巡逻，发现险情呼叫3号修理大坝，遇到人体模型呼叫2号救援。

▲三台机器人抢险 来源：中国蓝新闻

整个过程涉及到语音识别、目标检测、路径规划等多项智能任务的同时处理，以及机器人间的协同。

研究人员表示，从表面上看整场任务普通机器人也能实现，但实际上它最大的不同在于三个机器人是在类脑计算机的控制下通过语音开展移动指令，并接受任务分配的，它们通过不同的脑区来操控，功能可随机应变。

除此之外，Darwin Mouse还通过模拟多个不同脑区，建立了丘脑外侧膝状核的神经网络模型，仿真不同频率闪动的视觉刺激时该脑区神经元的周期性反应；借鉴海马体神经环路结构和神经机制构建了学习-记忆融合模型，实现音乐、诗词、谜语等的时序记忆功能；甚至还有通过脑电信号的稳态视觉诱发电位实时解码，可“意念”打字输入。

▲Darwin Mouse演示意念打字

最有趣的一项智能任务还是研究人员给Darwin Mouse唱一首歌其中的两句，然后它接棒把后续的内容唱出来。这并非靠检索功能实现，而是模拟海马体的记忆-学习功能，实现类人类大脑的运转过程。

目前Darwin Mouse距离真正的人脑无论规模还是智能化程度都还很远，可以说它的开发还处于初级阶段。

科研人员的下一阶段目标是将它变的更“聪明”，当然他们的的终极目标是希望类脑计算机达到真正大脑一样的高速工作，以超低功耗提供更强的人工智能，与冯·诺依曼架构并存与互补去解决不同的问题。

*参考资料： 浙江大学、之江实验室成功研制亿级神经元类脑计算机－《之江实验室》 https://mp.weixin.qq.com/s/rjcq9GX__HSGj2fr3HZWyQ