2014突破性科學(xué)技術(shù)研究：神經(jīng)形態(tài)芯片

　　本文為作者 Robert D. Hof 發(fā)表在 MIT TechnologyReview 網(wǎng)站上的《Neuromorphic Chips》一文，是《2014突破性科學(xué)技術(shù)》系列文章的第4篇，主要講述了高通等公司研發(fā)的微處理器可以像人腦一樣計(jì)算，這樣計(jì)算機(jī)就可以知道它們周?chē)l(fā)生了什么事情。

　　突破點(diǎn)：計(jì)算機(jī)芯片的另外一種設(shè)計(jì)方法，增強(qiáng)了人工智能的計(jì)算效率。

　　突破理由：傳統(tǒng)的芯片已經(jīng)接近理論性能極限。

　　主要參與者：高通、IBM、HRL 實(shí)驗(yàn)室、人腦項(xiàng)目

　　一個(gè)名叫先鋒(pioneer)的小機(jī)器人緩緩地走到一張印有“美國(guó)隊(duì)長(zhǎng)”的地毯上。而在外面，周?chē)幸蝗喝丝粗?。這里是高通實(shí)驗(yàn)測(cè)試模擬的場(chǎng)景，模擬的是一個(gè)兒童的臥室。先鋒停了下來(lái)，好像是在測(cè)量周?chē)沫h(huán)境，然后像滾雪球一樣卷起了這張地毯，轉(zhuǎn)身，準(zhǔn)備把它放到玩具箱里。高通的資深工程師 Ilwoo Chang 朝著先鋒機(jī)器人擺動(dòng)雙手，示意它不應(yīng)該放在這里。先鋒用它的攝像頭看著這個(gè)手勢(shì)，然后聽(tīng)話(huà)地接受了這個(gè)命令。隨后它會(huì)回到剛才的位置，把地毯放下，發(fā)現(xiàn)了另外一個(gè)蜘蛛人玩偶。這一次，先鋒機(jī)器人直接沖向了玩偶，不顧周?chē)膰?guó)際象棋，在沒(méi)有人指導(dǎo)的情況下把玩具放到了箱子里。

　　在今年晚些時(shí)間，高通公司將揭露科學(xué)技術(shù)是如何植入到日常電子設(shè)備芯片中的。這些“神經(jīng)形態(tài)”芯片(之所以這么命名，是因?yàn)樗麄兡M了大腦)被設(shè)計(jì)成處理傳感器數(shù)據(jù)(圖像、聲音等)以及根據(jù)未編程的數(shù)據(jù)變化做出反應(yīng)。這些芯片實(shí)現(xiàn)了人工智能領(lǐng)域需要幾十年才能完成的任務(wù)，讓機(jī)器可以像人一樣理解世界、與世界互動(dòng)。醫(yī)療傳感器和設(shè)備可以追蹤病人的生命體征，根據(jù)時(shí)間采取醫(yī)療對(duì)策，學(xué)會(huì)調(diào)整藥量，甚至可以及早發(fā)現(xiàn)病情。智能手機(jī)可以學(xué)習(xí)你接下來(lái)將要輸入的文字，然后在后臺(tái)設(shè)置提醒。Google 的自駕駛汽車(chē)或許不再需要駕駛員的幫助，掃地機(jī)器人永遠(yuǎn)都不會(huì)卡在沙發(fā)下面。高通技術(shù)總監(jiān) Matthew Grob 說(shuō)：“我們正在模糊芯片和生物系統(tǒng)之間的隔閡。”

　　高通的芯片需要到 2015 年才能上市，今年，高通公司將向研究者發(fā)放芯片讓他們測(cè)試。只要高通一發(fā)貨，“零計(jì)劃”將成為第一個(gè)大規(guī)模神經(jīng)模型計(jì)算商用平臺(tái)。高通公司也將在許多大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)之前實(shí)現(xiàn)這些功能，比如說(shuō) IBM 實(shí)驗(yàn)室和 HRL 實(shí)驗(yàn)室。這兩家已經(jīng)花了 1 億美元來(lái)為美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究項(xiàng)目局研發(fā)神經(jīng)形態(tài)芯片。此外，歐洲人腦項(xiàng)目聯(lián)合海德堡大學(xué)和曼徹斯特大學(xué)的研究者也花了 1 億歐元來(lái)研究神經(jīng)形態(tài)項(xiàng)目。另外一個(gè)德國(guó)小組最近報(bào)告說(shuō)利用神經(jīng)形態(tài)芯片和軟件模擬了昆蟲(chóng)的氣味處理系統(tǒng)，可以通過(guò)聞花來(lái)判斷植物種類(lèi)。

　　今天的計(jì)算機(jī)使用了所謂的“馮諾依曼架構(gòu)”，即數(shù)據(jù)在處理器和內(nèi)存之間來(lái)回計(jì)算。這種方法非常適合數(shù)字運(yùn)算和執(zhí)行編寫(xiě)好的程序，但是不適合處理圖片、聲音和其他可以感知到的內(nèi)容。2012 年，Google 公司的人工智能軟件在未告知機(jī)器什么是“貓”的情況下，利用多達(dá) 1.6 萬(wàn)個(gè)處理器成功識(shí)別出了貓。

　　為了讓這些處理器提高性能，制造商往芯片里塞入了更多的晶體管、緩存、數(shù)據(jù)通道，但是芯片工作時(shí)干生的溫度限制了芯片的運(yùn)算速度，而在移動(dòng)領(lǐng)域，對(duì)于電源的要求就更嚴(yán)格了。這就限制了設(shè)備不能有效地處理圖像、聲音和其他感官數(shù)據(jù)，也不能用來(lái)很好地進(jìn)行面部識(shí)別或機(jī)器人、車(chē)輛導(dǎo)航。

　　除了高通，沒(méi)有人能更好地解決這些芯片所面臨的物理挑戰(zhàn)。現(xiàn)在的移動(dòng)設(shè)備對(duì)性能的需求越來(lái)越大。但是現(xiàn)在的私人助手，比如蘋(píng)果的 Siri、Google 的 Google Now 等，功能都很有限，因?yàn)樵O(shè)備性能不夠，必須將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端進(jìn)行處理。領(lǐng)導(dǎo)“零計(jì)劃”的高通技術(shù)副主席 Jeff Gehlhaar 說(shuō)：“我們就是要硬碰硬。”

　　人腦有幾十億神經(jīng)元、幾千億個(gè)突觸，可以同步處理視覺(jué)、音頻等信號(hào)，神經(jīng)形態(tài)芯片在芯片中模擬人腦同步處理多種數(shù)據(jù)的能力。根據(jù)圖像、聲音或其他信號(hào)的變化，神經(jīng)元可以改變與其他神經(jīng)元之間的聯(lián)系。這一過(guò)程被叫做學(xué)習(xí)。這些神經(jīng)形態(tài)芯片模擬的是人腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)人腦的部分功能。這就是為什么高通的機(jī)器人在不知道蜘蛛俠是誰(shuí)之前就能將其放到準(zhǔn)確的位置。

　　高通可以在智能手機(jī)芯片中加入“神經(jīng)處理單元”來(lái)幫助處理傳感器數(shù)據(jù)，比如圖像識(shí)別。

　　即便神經(jīng)形態(tài)芯片的能力還遠(yuǎn)不人腦，它處理感官數(shù)據(jù)、學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)變化的能力比任何計(jì)算機(jī)都要快。人腦啟發(fā)軟件公司 Numenta 創(chuàng)始人 Jeff Hawkins 說(shuō)，如果像 Google 那樣使用傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)運(yùn)行特殊的軟件來(lái)模擬人腦的話(huà)，這樣智能設(shè)備的效率也太低了，“人工智能絕對(duì)不能靠軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，需要用芯片來(lái)完成。”

　　神經(jīng)通道

　　智能手機(jī)的普及也讓高通開(kāi)始有底氣，高通現(xiàn)在的市值已經(jīng)超過(guò)了 Intel。這中間的原因可能與高通掌握的幾百項(xiàng)無(wú)線(xiàn)通訊專(zhuān)利有關(guān)?，F(xiàn)在高通準(zhǔn)備進(jìn)行下一輪突破。第一步就是與 Brain Corp. 公司合作，高通投資了這家在模擬人腦算放上有杰出成就的神經(jīng)科學(xué)創(chuàng)業(yè)企業(yè)。“零項(xiàng)目”在立項(xiàng)之初事是想為機(jī)器人服務(wù)，讓機(jī)器人能與真實(shí)世界進(jìn)行互動(dòng)，有了成果之后便可以用在智能手機(jī)或者其他產(chǎn)品上。“零項(xiàng)目”出自艾薩克?阿西莫夫的第零條機(jī)器人法則：機(jī)器人不得傷害人類(lèi)整體， 也不得因?yàn)椴徊扇⌒袆?dòng)而使人類(lèi)整體受到傷害。

　　神經(jīng)形態(tài)芯片的概念要回溯到幾十年前。1990 年，加州理工學(xué)院名譽(yù)教授 Carver Mead 在一篇論文中給出了它的定義，“模擬芯片不同于只有二進(jìn)制結(jié)果(開(kāi)/關(guān))的數(shù)字芯片，可以像現(xiàn)實(shí)世界一樣得出各種不同的結(jié)果，可以模擬人腦神經(jīng)元和突觸的電子活動(dòng)。”但是他卻沒(méi)法完成設(shè)計(jì)這種模擬芯片的任務(wù)。只有一家名為 Audience 的公司研發(fā)出了一種有爭(zhēng)議的神經(jīng)形態(tài)芯片，可以抑制噪聲，已經(jīng)賣(mài)出了幾億片。這些芯片基于人的耳蝸而設(shè)計(jì)，可以像人一樣隔絕噪音，只聽(tīng)人聲，已經(jīng)被用在蘋(píng)果和三星等品牌的手機(jī)上。

　　作為一家商業(yè)公司，高通公司希望產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)用性大于性能表現(xiàn)。這也就意味著高通的神經(jīng)形態(tài)芯片依舊是在數(shù)字芯片上開(kāi)發(fā)的，這樣做比研發(fā)模擬芯片更簡(jiǎn)單，生產(chǎn)更容易。模擬芯片要完成的模擬大腦，而高通的芯片模擬的是大腦的行為。比如，神經(jīng)形態(tài)芯片編程、傳輸數(shù)據(jù)的方式模擬大腦處理感官數(shù)據(jù)處理時(shí)的電子脈沖。“零項(xiàng)目”工程師 M. Anthony Lewis 說(shuō)：“即便還是以數(shù)字的形式來(lái)完成，我們已經(jīng)可以復(fù)制大腦的很多行為。”

　　這批芯片也非常符合高通現(xiàn)有的業(yè)務(wù)，雖然說(shuō)高通現(xiàn)在已經(jīng)在智能手機(jī)領(lǐng)域占據(jù)老大的地位，但是收入增長(zhǎng)開(kāi)始減緩。高通梟龍移動(dòng)處理器可以加入“神經(jīng)處理單元”來(lái)負(fù)責(zé)處理感官數(shù)據(jù)、完成圖像識(shí)別和機(jī)器人導(dǎo)航的任務(wù)。因?yàn)楦咄ㄓ泻艽笠徊糠质杖雭?lái)自于向其他公司授權(quán)專(zhuān)利使用權(quán)，所以它還可以向這些企業(yè)出售神經(jīng)形態(tài)芯片算法的使用權(quán)。這樣這種芯片就可以用在視覺(jué)、動(dòng)作控制等其他應(yīng)用領(lǐng)域。

　　認(rèn)知伴侶

　　Matthew Grob 對(duì)于智能手機(jī)的進(jìn)步感到震驚，隨后又開(kāi)始感到煩惱，有一次會(huì)議中，手機(jī)突然響了，因?yàn)樗叭ミ^(guò)西班牙，然后西班牙那個(gè)時(shí)區(qū)設(shè)置了一個(gè)鬧鐘，但是在回到公司開(kāi)會(huì)時(shí)，這個(gè)手機(jī)以為自己還在西班牙，就又響了。這個(gè)例子說(shuō)明，我們的時(shí)智能設(shè)備離智能還很遠(yuǎn)。Grob 想象著，未來(lái)有一天，這個(gè)手機(jī)又響了，他對(duì)這手機(jī)喊了一句“不許在這個(gè)時(shí)候響!”，這樣手機(jī)就知道換了時(shí)區(qū)，不會(huì)再搞錯(cuò)。

　　高通認(rèn)為神經(jīng)形態(tài)芯片可以讓智能手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備變成用戶(hù)的認(rèn)知伴侶，關(guān)注用戶(hù)的行為和環(huán)境，學(xué)習(xí)用戶(hù)的習(xí)慣，由此可以產(chǎn)生許多可能。高通研究實(shí)驗(yàn)室的商業(yè)開(kāi)發(fā)總監(jiān) Samir Kumar 說(shuō)：“如果你和你的設(shè)備能共同步感知環(huán)境，設(shè)備對(duì)于你的目的和需求的理解就會(huì)更好。”

　　Kumar 又舉了一個(gè)例子：如果你在手機(jī)的照片上圈出了自己的寵物狗，那么之后所有出現(xiàn)寵物狗的圖片都會(huì)被圈上;在足球比賽中，你可以告訴手機(jī)，當(dāng)孩子快要射門(mén)的時(shí)候記得拍照;在睡覺(jué)的時(shí)候，手機(jī)能知道將所有電話(huà)都轉(zhuǎn)成電話(huà)錄音。簡(jiǎn)而言之，智能手機(jī)將成為人的數(shù)字第六感。

　　高通公司的高層并不愿意在產(chǎn)品正式發(fā)布之前公布更多細(xì)節(jié)。但是神經(jīng)形態(tài)研究者對(duì)此卻可以侃侃而談。根據(jù) IBM 實(shí)驗(yàn)室的研究院 Dharmendra Modha 的描述，這種芯片可以讓盲人通過(guò)視覺(jué)和音頻傳感器來(lái)識(shí)別物體，提供音頻提示;健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以檢測(cè)生命體征，及早發(fā)現(xiàn)潛在的風(fēng)險(xiǎn)，為病人提供個(gè)性化的治療手段;計(jì)算機(jī)可以根據(jù)風(fēng)向、潮向和其他數(shù)據(jù)來(lái)更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)海嘯。HRL 實(shí)驗(yàn)室的首席研究科學(xué)家 Narayan Srinivasa 計(jì)劃在夏天測(cè)試一種神經(jīng)形態(tài)芯片，它植入到鳥(niǎo)類(lèi)設(shè)備的體中，可以根據(jù)室內(nèi)環(huán)境飛行。這一芯片處理來(lái)自攝像機(jī)和其他傳感器的數(shù)據(jù)，能記住飛過(guò)的房間，學(xué)會(huì)導(dǎo)航，以后可以應(yīng)用在無(wú)人機(jī)上。

　　程序員利用硬件開(kāi)發(fā)出優(yōu)秀的軟件還需要一些時(shí)日。人工智能創(chuàng)業(yè)公司 Vicarious 的聯(lián)合創(chuàng)始人 Dileep George 說(shuō)：“讓硬件公司來(lái)做科研為時(shí)尚早。”高通公司也表示，“產(chǎn)品商用也需要時(shí)日。”但是他們今年要發(fā)布的技術(shù)可以將這些產(chǎn)品變成現(xiàn)實(shí)，更進(jìn)一步。