類腦機：像人腦那樣工作思考

科日

讓機器像人腦一樣工作——這不是幻想，已經有科學家走在實現它的路上。

2019年，英國曼徹斯特大學計算機科學學院“激活”了世界上最大的“大腦”——一臺類腦超級計算機spiNNaker。據曼徹斯特大學官網介紹，這臺計算機擁有100萬個處理器內核，每秒可進行200萬億次運算，處理信息的方式與人腦類似。SpinNaker設計師、計算機工程教授史蒂夫·弗伯表示，該類腦超算“重構了傳統計算機的工作方式”。

模擬生物大腦的信息處理方式

“SpiNNaker之所以被稱為類腦超級計算機，是因為它在模仿生物大腦處理信息的方式，而且處理速度和規模遠超同類機型，但在體系結構上與傳統意義的超級計算機有明顯不同。我更傾向于把這類模仿生物大腦的機器統稱為‘類腦機。”北京大學計算機科學技術系主任黃鐵軍表示，超級計算機往往是指性能更高、規模更大的傳統計算機，而類腦機則是指借鑒、模擬生物大腦神經系統結構和信息處理過程的智能機器，而非單純進行計算任務的傳統計算機。

美國加州科技大學校長秦志剛也持有相同觀點。“類腦機與傳統計算機的工作方式不同。”他表示，個人計算機往往只有1個中央處理器（CPU），該CPU功能強大，可處理多種任務，但在這種模式下，任務只能被接續處理，即處理完一個，才能處理下一個。但類腦機的原型——生物大腦的工作方式并非如此。據統計，人的大腦中約有1000億個神經元，這些神經元是人腦神經系統最基本的結構和功能單位。每個神經元均可被看成是一個簡化版CPU，其計算功能雖比不上計算機的CPU，但勝在數量多，且每個神經元均可獨立完成任務。簡而言之，可以把大腦看成是由多個同時運轉的CPU組成的機器，其具有高效的多任務信息處理能力。

常規超級計算機雖也有大量CPU，但是這些CPU只能進行簡單并行工作。相比之下，生物神經元相互連接形成的網絡結構要復雜得多。

那么，類腦機如何模仿生物大腦中神經元之間的信息交換和處理過程？

大腦中每個神經元通過數千個神經突觸與其他神經元連接，構成可感知、綜合處理、反饋信息的神經網絡系統。感知到外界信號后，上游神經元可將信號以神經脈沖的形式“發送”給多個下游神經元，下游神經元再將這一脈沖信號傳遞給更多的神經元。這些神經脈沖信號在神經元之間的傳遞過程，實際上就是大腦處理信息的過程。

“類腦機通過大規模神經形態芯片模擬生物神經網絡，每塊芯片上都集成了大量電子或光子神經元和突觸陣列。”黃鐵軍介紹，與生物神經元不同，電子版神經元的連接狀態可通過軟件實現。類腦機處理信息也采用傳遞神經脈沖信號的方式進行，只是通常不直接采用生物神經網絡的連接模式，而是采用路由交換的方式，提高靈活性。一種典型的做法是將脈沖信號打包，然后利用包裹上的“投遞地址”等信息，實現面向下游神經元的精準投遞;待下游神經元收到大量的信息包，而后根據自身的處理特性生成新的脈沖，再將信息“投遞”出去，周而往復。當這種類腦機的計算精度達到一定程度后，就能產生僅生物大腦才具有的某些功能，甚至可能出現“靈感涌現”等高級智能。

更節能，可促進相關學科發展

1981年，美國生物學家杰拉爾德-艾德曼提出了“綜合神經建模”理論，這位科學家成為仿真生物大腦領域的先驅者。30多年來，人們花費了大量的精力、財力研究類腦算法、模型及配套硬件設施。以SpiNNaker為例，該項目始建于2006年，迄今已花費了約1500萬歐元。

那么，類腦機為何能讓人們如此著迷并為之付出諸多努力？“類腦機擁有現階段主流人工智能模型（如深度神經網絡）無法比擬的高智能、低能耗的優勢。”中國科學院自動化研究所副所長劉成林表示，深度神經網絡往往只具有完成單一任務的智能，如圖片識別、語音識別等，缺乏綜合處理不同場景信息的能力，這也是制約其未來發展的瓶頸問題之一。類腦機則得益于模仿大腦的“先天優勢”，在綜合感知、推理等方面的能力更為突出。

類腦機在低能耗方面具有顯著的優勢。人腦執行計算任務所消耗的能量要比目前通用計算機低很多。正如歐盟在其推出的《人類大腦計劃》報告中指出，在處理等量任務時，目前沒有任何人工系統能夠媲美人腦的低能耗。人類大腦的能耗一般在20瓦左右，而一臺普通筆記本電腦的能耗功率約為100瓦。這種差距在基于人工神經網絡的人工智能上表現得更為顯現。2016年，阿爾法狗對戰圍棋九段高手李世石時，該人工智能程序的能耗達1兆瓦，將近人腦的5萬倍。“現階段類腦機的能耗雖無法降至人腦水平，但比人工神經網絡節能。”劉成林表示。

另一方面，類腦機的研究可以促進腦科學和神經科學研究的發展。大腦是人身體中最復雜的器官，其神經結構和運行機理至今仍有很多不清楚的地方，靠影像手段難以直接觀測。劉成林指出，類腦機作為模擬大腦的計算模型，通過計算產生類似大腦的活動和智能行為，可以反過來為腦神經結構和功能的研究提供有益的啟發。同時，腦科學和神經科學的進步也將促進類腦機向更高智能方向發展。

首臺實時模擬人腦機器或2022年出現

黃鐵軍描繪了未來類腦機的藍圖：當神經形態器件和芯片的精密程度發展到一定階段后，在信息處理速度上或比人腦快幾個數量級，同時在外形上沒有了人腦骨骼結構的限制……

距離研制出這樣一臺“電腦”，我們還有多遠的路要走？黃鐵軍介紹說，根據歐盟推出的《人類大腦計劃》，到2022年，首臺實時模擬人類大腦的機器就會出現，約20年后，尺寸與人腦相當又能精確模擬人腦功能的類腦機或將面世。

當類腦機出現后，它會給我們的生活帶來哪些改變？“類腦機的出現必然會給人們的生活方式，尤其是學習方式帶來巨大的變革。類腦機可大量減少人類重復性的工作，同時其也會成為創新靈感的來源之一。”秦志剛表示。

劉成林認為，裝有類腦機的機器人可能在功能上與真人無異，會思考、判斷、學習，能夠提供更貼心的服務，并代替人從事高智力工作，極大地提高工作效率，促進社會經濟發展。但是，未來高智能機器的發展和廣泛使用也可能帶來失業、被誤用等負面影響，相關的倫理、風險研究應逐步展開，相關法律法規也應同步完善。

（責任編輯：吳宇責任校對：嵇刊）