芯片，讓電腦變“聰明”

史峰

《數字化生存》一書作者尼葛洛龐帝曾說：“假如電腦能變得像人腦一樣聰明，那么即使是最堅定的反機器分子，大概也會熱情地使用電腦。”實際上，讓電腦變得像人腦，這樣的夢想或許即將成為現實。

傳統硅芯片，其實是“傻瓜”

芯片即內含集成電路的硅片，類似于人腦。人腦里有復雜的神經系統，芯片上有復雜的集成電路，所以芯片就是電腦的“大腦”，它決定整個電腦性能的發揮，是計算機“執行程序”核心。只要把加、減、乘、除、乘方、開方以及各種函數的復雜程序裝進有“芯片”的電腦里，“芯片”就會組織系統“力量”快速執行各種計算“程序”。

傳統電腦芯片是用硅制成的。現在，電腦硅芯片的體積越來越小，上面電路集成的規模越來越大，因此它可以執行越來越復雜的“程序”。

電腦程序主要有兩種：可支持計算機自身基本運轉的“系統程序”和可以拓展計算機各種功能的“應用程序”。最早的“系統程序”編寫于1956年，名為 GM-NAA操作系統。最難學的“系統程序”是1966年IBM公司推出的 DOS操作系統。最普及的“系統程序”是電腦天才比爾·蓋茨團隊1985年開始推廣的Windows操作系統。目前手持電腦設備上最“火”的操作系統，是Android系統。

有了這些“操作程序”的支持，電腦上就可以進一步安裝各種“應用程序”：比如畫圖程序、瀏覽器程序、殺毒程序等。特別值得一提的是，電腦病毒也是“應用程序”的一種，不過它主要被用來“做壞事，搞破壞”。

電腦程序是“程序員”編寫的指令，電腦芯片通過執行“指令”來完成“預定”運算任務。所以，看起來很“聰明”的電腦，其實只是個聽令于程序的“傻瓜”而已--它不是利用主動思考的方式而是按照“事先指令”來解決問題的。就算是英國國家氣象局使用的一臺運算速度達每秒一萬億次的超級電腦，有時也表現得“傻乎乎”的--預報模式如果脫離了既定“程序”，就會做出錯誤的天氣預報，把“大雨”預報成“晴天”。

認知硅芯片，讓電腦似人腦

傳統硅芯片電腦是“傻瓜”，所以人們對它的“智商表現”并不滿意。那么，能不能把電腦變得像人腦一樣，會學習、懂交流、能感知、可互動？

日前，IBM公司對外宣布：新一代電腦將從“運行程序”的工具，轉變為具有“學習能力”的復雜系統。也就是說，電腦將具備“主動思考、可自動糾錯、通過學習、工作積累知識經驗”的能力。

為此，IBM推出了“認知芯片”，有分析師認為它是目前世界上最接近復雜人腦的“認知系統”，它比傳統電腦芯片的設計多了這樣一些內容：“神經元”、“突觸”和“軸突”結構。神經元負責信息處理，突觸負責學習和記憶，軸突則負責不同信息間的溝通。

電腦為什么會“死機”？原因很多，其中一個主要原因是“程序錯誤”。“電腦程序”是由人編寫的，其中總會存在“錯誤”，電腦運行程序時，如果“觸動”了錯誤，就會“傻掉”，無法完成尋找“正確結果”的運算進程，只好死機。“死機”不僅會使電腦使用者被迫中斷工作進程，還會導致各種重要資料的丟失。

未來，裝有“認知芯片”的電腦推向市場后，人們就無須再為電腦死機而煩心了。因為電腦可以用自己的“認知能力”及時發現“程序設計”中的錯誤，并自動糾錯，修補程序員留下來的“程序陷阱”，從而避免出現“死機”。

時至今日，電腦能解決什么問題并不重要，重要的是它如何處理“意外”問題。人腦之所以強大，在于其有上千億個神經元和10多萬億個神經突觸，處理問題的信號可以傳向四面八方。因此，模仿大腦制造“認知芯片”成為許多科學家渴望攻克的最大挑戰--為研發“第一代類腦認知芯片”，IBM公司啟用了6個專門實驗室，聯合來自康奈爾大學、威斯康星大學、加州大學、哥倫比亞大學和政府研究機構的上百位研究人員，投入了大量經費進行研究。

這一研究目前已取得豐碩成果： 2006年，IBM利用“認知芯片”模擬了老鼠40%的大腦活動情況。2007年，模擬了老鼠全部大腦活動情況。2009年，模擬了貓的大腦皮層“記憶學習”功能；同年，模擬運行了人類大腦皮層1%的“認知功能”。

2011年，IBM公司研發出兩個單核硅芯片原型，每個都含有256個神經元，其中一塊有超過26萬個可控制的神經突觸，另一塊有6萬多個學習型神經突觸。在這兩塊芯片的基礎上，研究人員成功讓計算機實現導航、機器視覺、模式識別、聯系記憶及分類等認知功能。但從規模上來說，這樣的單核硅芯片僅相當于蟲腦的水平。 2014年，IBM研制出最新仿人腦芯片TrueNorth--4096個內核、100萬個神經元、2.56億個突觸集成在直徑只有幾厘米的方寸（是2011年單核硅芯片原型大小的1/16）之間，而且能耗不到70毫瓦。但與人腦的上千億個神經元和十多萬億個突觸相比，它仍然不夠“聰明”。IBM的最終目標，是希望建立一臺包含 100 億個神經元和 100 萬億個突觸的計算機--這樣的計算機要比人類大腦的功強大10 倍，而功耗只有1000瓦，重量僅相當于人腦的重量。

有機芯片，讓電腦超人腦

目前所有的電腦芯片都是用“硅”制成，1平方毫米的硅片上能容納25萬個電子元件。雖然這個數量已經非常龐大，但要完成人腦的“思考”與“學習”的任務仍然遠遠不夠，因為人腦中用來完成認知能力的神經元的數量是硅質芯片上電子元件數量的數十萬倍--因此，要想在硅質芯片上大規模地集成電子元件，來達到人類大腦的高度“認知能力”幾乎是不可能的。

而“有機芯片”上可容納的電子元件的密度比人腦神經元密度還要高出100萬倍，并且這種芯片傳遞及處理信息的速度也比人腦的思維速度快100萬倍--如果用它代替“硅質芯片”，那么電腦的功能不就可以大幅度超越人腦嗎？

是的，科學家正在開發“有機芯片”，目的就是要讓芯片功能超過人腦功能。裝有這種“有機芯片”的電腦，就是“生物電腦”。

目前，最新一代實驗計算機正在用“有機芯片”模擬人類的大腦構造。英國劍橋大學還發現了“生物電路”：一些蛋白質的主要功能不是構成生物的某些結構，而是用于傳輸和處理信息。

科學家正努力尋找人腦與“有機芯片”之間的相似處，研制基于整個人體神經網絡的計算機系統。盡管目前研制出來的最先進的“生物電腦”擁有的智力還非常有限，但大多數科學家認為，“生物電腦”是計算機未來的發展之路。有科學家預言：到2020年，運算速度更快的“有機芯片”將取代“硅質芯片”，超越人類智能的電腦將變成現實--屆時，也許在電腦“眼里”，人類才是“傻瓜”。（責任編輯/清揚）endprint