破天荒革命：电脑“变身”人脑

提要：“电子大脑”所依赖的是学习功能而不是编程，它通过纳米级低能耗类突触器件等技术的研究开发，实现模拟人脑的微型电路功能

近年来，美国IBM公司联合了来自康奈尔大学、威斯康星大学、加利福尼亚大学、哥伦比亚大学和政府研究机构的上百位研究人员，开展了一项意义非凡的认知计算机项目。这一项被称为“电子大脑”的计划将创建一种与传统智能计算机完全不同的电脑系统，该系统有望模拟并效仿人脑的感觉、观念、行为、互动以及认知等能力。那么，不久的将来电脑真的可以“替代”人脑吗？雄心勃勃的科学家表示，在《危险边缘》智力竞答节目中超级电脑“沃森”已经打败所有选手，便足以证明创造一种能够与人类大脑相比拟的智能机器并非是一件不可完成的事，而实现这个划时代伟大梦想的主角就是拟人化的“电子大脑”。

“电子大脑”的奥秘何在

科学家研究发现，人类拥有思维、记忆和感觉等功能都是通过大脑中的神经元、轴突和突触等实现的，脑细胞不仅相互之间的连接十分靠近，而且分工也不像电脑组件那么明确，人类大脑将记忆和存储等功能整合成为一体。因此，任何特定脑组织中的活动都是由相邻组织的活动刺激而产生的，它的运行是由事件来驱动的。也就是说，大脑是由一个思维活动刺激而产生另一个思维活动的，其方式就像是一个大规模并行分布式处理器，不同的是它拥有一个可重构、可容错的学习机制，并且擅长于模式识别和关系梳理。而对于当今的电脑而言，不仅它的存储和处理是相互分离的，而且处理器、通信链路和存储器等组件的运行必须依靠预先编制的程序，并由一个时钟控制依次进行。这个时钟就像是一个乐队的指挥，它将每一个指令和每一份数据驱动到下一个位置，去执行预定义的算法以及分析工作。因此，传统电脑的组织结构决定了它无法拥有像人类大脑那样强大的思维、认知和学习功能。

然而，对于科学家提出的“电子大脑”而言，其结构及概念与目前的商用电脑完全不同，不仅它的存储器与处理器组件被紧密地结合在一起，而且它没有时钟，其运行操作是不同步的，纯粹是依据事件来驱动的。也就是说，“电子大脑”没有预定的次序或时间表，它们运行所依赖的是学习功能而不是编程，这就像人类的大脑一样。为此，人们将这一全新的领域称为认知计算，它将涉及突触电子学、材料科学、神经形态电路系统、超级计算模拟以及虚拟环境等新兴学科，通过纳米级低能耗类突触器件等技术的研究开发，实现模拟人脑的微型电路功能，使“电子大脑”达到人类的智能水平。

芯片尺寸成为关键技术

2011年8月，美国IBM公司科学家成功研制出了一种“认知计算芯片”，并利用它们组成了一个“小型人脑”的认知硬件模型，为探索人类大脑运算功能迈出了坚实的第一步。该“小型人脑”由256个神经元、26.2万个可编程突触和6.5万个学习突触所组成。由于它们无需预先准备程序就可以运行，从而能够实现分散处理及并行处理等人脑功能。试验结果表明，这个“小型人脑”不但可以实现空间导航、机器视觉、模式识别以及联想记忆等拟人化功能，它还有一个“心灵之眼”，能辨别出事物背后的状况，并依据获得的证据自行生成假设或判断。

然而，科学家也表示，电脑人工智能化的设想实际上已经经历了一段很长的时间，它之所以至今尚未能够完全实现，其关键是来自人类大脑超小体积和超低能耗的挑战。也就是说，人们必须开发出纳米级的类大脑突触、神经元等电子器件，并利用它们构成真正的拟人化电脑，以便通过多种渠道和感应器来搜集信息，在真实环境中行使认知行为能力，最终解决复杂问题。科学家指出，构筑“电子大脑”的电子芯片的电路宽度要缩小到7纳米以下，才能使拥有数百亿个神经元和数百万亿个突触的“电子大脑”体积与人脑相当。然而，这并非是一件容易的事，因为纳米是一个十分微小的计量单位，一根人类头发的直径就相当于80000纳米，而目前即使采用最先进的工艺技术，电子芯片的电路宽度也只能达到22纳米。科学家预测，尚需要若干年的时间，电子芯片的电路宽度才有望从14纳米、10纳米最终达到7纳米。

“电子大脑”的能源消耗也是一个重要的制约因素。例如，打败人类的超级电脑“沃森”的功率高达85千瓦，而人脑的功率仅有0.02千瓦。因此，具有认知功能的“电子大脑”如何提高其运行效率并节能是一项十分艰巨的任务。目前，科学家正在试图采用不储存临时性结果（即取消“缓存”）等手段来降低能耗，期望将“电子大脑”的功率降至1千瓦左右。

“电子大脑”的5种感官

科学家向人们描绘了一幅“电子大脑”的诱人蓝图，他们坚信今后的电脑可以像人类一样拥有触觉、视觉、听觉、味觉和嗅觉等5种感觉，并据此进行思考和判断，帮助人们处理各式各样的问题。

“电子大脑”可以通过平板电脑触摸屏等非语言的方式进行沟通，让人们体验到触摸对象的感觉。例如，当你在屏幕虚拟键盘上打字时，就能感觉到按键的存在；当你登录购物网站挑选一件毛衣时，你可以在屏幕触摸到毛衣的质地、纹理和柔软度等，就像在实体店里购衣一样。

“电子大脑”的视觉能力将会有一个质的飞跃，它可以完全抛弃条形码、二维码等常用的识别标签，直接识别各种图片，并读懂它们的内容和含义。例如，“电子大脑”可以帮助医生分析X射线片等医学影像。

“电子大脑”将拥有非凡的听觉，它不仅能听懂人类说话的内容，而且对于声压、振动以及波动也具有十分敏锐的洞察力。例如，当它听到列车鸣笛声或感觉到钢轨振动时，便能判断出列车正在驶来，并最终做出远离轨道的选择；它可以辨别出山体、隧道等所产生的异常动静，并精确地做出山体滑坡、隧道坍塌等预警判断。

“电子大脑”的味觉更是妙不可言，它所配备的虚拟味蕾功能甚至可以计算出食物的各种味道。例如，在“电子大脑”面前放置同为白色的一盒盐和一盒糖，它无需进行复杂的化学分析，而是通过“尝”味道，便能准确地区分出盐和糖。这对厨师改善食谱或者发明新菜系无疑是个得力帮手。

“电子大脑”的嗅觉也是一项令人刮目相看的本领。它的工作原理类似用于检测是否酒后驾车的酒精呼气测试仪，但它所配置的感应器功能与酒精呼气测试仪相比是不可同日而语的。例如，你只要对着“电子大脑”哈上一口气，它便能对你的健康状况做出判断，它的敏锐嗅觉能依据气息来诊断你是否患了某种疾病。这种通过检查人体分子生物标记的嗅觉功能将会成为未来疾病诊断的新方式。（来源：《科学画报》2013年第4期）

（本文作者刘嵘为中国科学技术大学生命科学学院视觉研究实验室博士研究生）