一種新型處理器及存儲(chǔ)技術(shù)的研究

摘要：針對(duì)半導(dǎo)體集成處理器在智能機(jī)器人中很難處理和模擬人類思維活動(dòng)的問題，提出了一種新型的處理器及存儲(chǔ)理念，該處理器可直接對(duì)超大規(guī)模的模擬信號(hào)進(jìn)行高速實(shí)時(shí)處理，以電子井作為最小存儲(chǔ)單元，并以電子束形式反應(yīng)信號(hào)變化，產(chǎn)生實(shí)時(shí)模擬控制信號(hào)，為智能機(jī)器人處理器的設(shè)計(jì)提供了一種全新的思路。最后通過一個(gè)實(shí)例分析了處理器和存儲(chǔ)器的工作過程。
關(guān)鍵詞：處理器；存儲(chǔ)技術(shù)；電子井；智能機(jī)器人

0 引言
在上個(gè)世紀(jì)晶體管剛被發(fā)明的那幾十年里，科學(xué)家和工程師們都樂觀地預(yù)測(cè)人類離智能化時(shí)代已經(jīng)不遠(yuǎn)了，特別是日本的某些研究所更是樂觀地認(rèn)為到了21世紀(jì)初那些科幻小說里的場(chǎng)景將會(huì)在現(xiàn)實(shí)中重演，然而直到如今，世界上大部分的科學(xué)家和研究人員不得不承認(rèn)，在現(xiàn)有知識(shí)基礎(chǔ)上，短期內(nèi)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)真正的人工智能的。
人類對(duì)于機(jī)器人的研究早已有之，但正當(dāng)各國(guó)科學(xué)家如火如荼地進(jìn)行機(jī)器人的智能化研究時(shí)，在21世紀(jì)這個(gè)信息爆炸的時(shí)期，科學(xué)研究似乎遇到了一段極為棘手的瓶頸時(shí)期，半導(dǎo)體和布爾代數(shù)并沒有顯示出其萬(wàn)能的一面，全球基本上沒有任何一種理論或者算法能賦予機(jī)器人生命，也就是說現(xiàn)今機(jī)器人除了機(jī)械地按照人類設(shè)定的程序和指令動(dòng)作外，不能擁有自我判斷能力。但人類并沒有因此而放緩研究的腳步，日本一家公司曾從國(guó)內(nèi)大學(xué)、公共研究所招聘了20多位腦科學(xué)、機(jī)器人專業(yè)的優(yōu)秀研究人員，組建了生命力學(xué)研究所，專門研究下一代智能機(jī)器人。該研究所的5年計(jì)劃指標(biāo)是：把世界上腦科學(xué)最新理論編制成程序，用100多臺(tái)計(jì)算機(jī)并聯(lián)，處理各種高級(jí)信息，并把處理結(jié)果用無(wú)線技術(shù)傳輸給機(jī)器人本體，使之具有自我思考功能，靈活地對(duì)應(yīng)周圍環(huán)境，進(jìn)行“人”與自然交流，從而進(jìn)行自律的智能動(dòng)作。雖然通過幾年的努力取得了不少成果，最終還是以失敗告終，僅僅證明了一個(gè)結(jié)論，人類在現(xiàn)有知識(shí)基礎(chǔ)上短期內(nèi)無(wú)法研制出擁有自我思考能力的機(jī)器人。
處理器作為機(jī)器人的心臟，也是整個(gè)硬件系統(tǒng)的控制指揮中心，負(fù)責(zé)對(duì)外界信號(hào)進(jìn)行判斷、分析、學(xué)習(xí)，并指揮整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)然需要極高的信息處理能力和智能化。因此，智能機(jī)器人發(fā)展的關(guān)鍵就在于如何開發(fā)出一種信號(hào)處理器來模仿人類處理信息的能力，使機(jī)器人具有仿人類的大腦。本文提出一種新型的處理器及存儲(chǔ)理念，即基于人類大腦處理信息的方法，采用特殊的結(jié)構(gòu)從而能夠直接對(duì)超大規(guī)模的模擬信號(hào)進(jìn)行高速實(shí)時(shí)處理，以電子井作為最小存儲(chǔ)單元，并以電子束形式反應(yīng)信號(hào)變化，產(chǎn)生實(shí)時(shí)模擬控制信號(hào)。

1 對(duì)現(xiàn)今半導(dǎo)體集成電路的思考
半導(dǎo)體集成電路和微處理器的出現(xiàn)不僅深刻地改變了電子技術(shù)的面貌和原有的設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)，而且成為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的重要基礎(chǔ)之一，人類曾用它創(chuàng)造出自動(dòng)化程度極高的各種應(yīng)用系統(tǒng)。但目前越來越多的科學(xué)家們認(rèn)識(shí)到了半導(dǎo)體電路的缺陷，雖然它的速度越來越快，穩(wěn)定性越來越高，應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，然而當(dāng)人類試圖利用它去攀登人工智能的高峰卻只能遭受一次又一次的失敗。僅具有2種電平變化的數(shù)字電路具有穩(wěn)定性高和易于處理的特性，這也決定了它需要用二進(jìn)制信息量轉(zhuǎn)換模擬信號(hào)的實(shí)際信息。對(duì)于信息量不是特別大的應(yīng)用系統(tǒng)，只要縮短處理器的時(shí)鐘處理周期就能滿足信息的處理和傳遞，但對(duì)于人類思維這種信息量極大和實(shí)時(shí)性要求極高的處理，數(shù)字量的信號(hào)很難模擬出高級(jí)思維活動(dòng)，就像ADC／DAC無(wú)法精確轉(zhuǎn)換非二進(jìn)制數(shù)一樣?，F(xiàn)今半導(dǎo)體處理器通過位數(shù)來提高精度與運(yùn)算速度，也就是說簡(jiǎn)單的整數(shù)和復(fù)雜的開方數(shù)都必須占用同樣的位數(shù)，占用同樣的處理時(shí)間。而人類思維是通過一系列的電流傳遞產(chǎn)生的，這種生物細(xì)胞間的電流信號(hào)是連續(xù)的，但如果換算成二進(jìn)制信號(hào)進(jìn)行處理，那么人腦的復(fù)雜程度將增加無(wú)窮倍，如此高精度的人類生物神經(jīng)都無(wú)法處理，更何況沒有任何應(yīng)變能力的數(shù)字集成電路了。
所以能高速實(shí)時(shí)處理大信息量的處理器必須直接對(duì)模擬信號(hào)做出響應(yīng)，但是當(dāng)眾多模擬量在單片上集成時(shí)，相互間的電磁干擾將使電路無(wú)法正常工作，于是用電流取代電壓，用電子束取代電流變化，以減輕干擾，并使功耗下降幾個(gè)數(shù)量級(jí)，最大限度地滿足運(yùn)算需求。

2 新型信號(hào)處理器的框架結(jié)構(gòu)與工作原理
作為一種仿生學(xué)的處理器與存儲(chǔ)技術(shù)都是建立在模擬信號(hào)處理的基礎(chǔ)上的，模擬信號(hào)如通過聽覺、視覺、觸覺等傳感器采集的信號(hào)再通過放大、濾波、整形后送入處理器(Processor)，先通過一級(jí)轉(zhuǎn)換(Tra)，將電壓變化量轉(zhuǎn)換為電流變化量，即轉(zhuǎn)換為電子束信號(hào)，以配合處理器的處理，在處理的過程中激活學(xué)習(xí)功能(Study)，而學(xué)習(xí)功能區(qū)將需要記憶的信號(hào)送入可學(xué)習(xí)區(qū)，并通過燒寫塊(Bypass)將一些數(shù)據(jù)寫入學(xué)習(xí)記憶區(qū)(Learning store)，以備下一次直接調(diào)用。圖1為處理器的框架示意圖。