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11 Dec 2018, 3:30

借助 SpiNNaker 神经形态计算机复制人脑

神经形态计算是由美国科学家 Carver Mead 提出的一个概念,它描述的是用于模拟神经生物结构的模拟和数字电路 VLSI(超大规模集成电路),在今年进一步提升了智商点。Spiking 神经网络架构(如果你记不住这又长又拗口的词,也可称之为SpiNNaker 计算机)最近首次启动了它的第一百万个处理器核心,并因此受到火热报道。

SpiNNaker 神经形态计算机

二十年潜心制造

SpiNNaker 计算机的制造已进行十多年,从最初构想到现在已有近二十年的历史,它是曼彻斯特大学计算机科学学院计划和它的最初构想者 Steve Furber 教授的智慧结晶。这个具有里程碑意义的神经形态计算机能够实时建模的生物神经元数比现有的任何其他计算机都要多,至少我们了解到的情况是这样!

正如你想象的那样,这个独特计算机的构建和设计过程耗资不菲,过去 20 年来 EPSRC(工程和物理科学研究委员会)以及近日 HBP(人脑工程)用于帮助其设计和构思的资金投入超过 1500 万英镑。

生物神经元

生物神经元有时被称为尖峰神经元,是一种驻留在神经系统中的脑细胞,其通过在细胞膜间发射电化学能量尖峰来进行通信。SpiNNaker 计算机在计算功能方面是独一无二的,它并不在常规网络中将数据从 A 点发送到 B 点,而是将数十亿个小数据包同时发送到数千个不同的目的地。SpiNNaker 是迄今为止开发的功能最强大的神经形态计算机,专门用于模拟人脑的并行通信架构。从本质上讲,它是一台计算机,只是其功能更像人类大脑,而不像你以往想象的传统电脑那样运行。

这个独特概念的创造者迄今尚未完工,他们的目标是不断扩展,直到可以实时模拟十亿个生物神经元。这似乎还有很长的路要走,但这个具有里程碑意义的神经计算机是向这一目标迈出的重要一步。为了更直观地了解这一任务的规模,我们知道一只老鼠的大脑由大约 1 亿个神经元组成,而普通人的大脑据说由大约 1000 亿个神经元组成(我认为还没有人真正计算过)。而所有这些神经元又与大约 1 千万亿个突触相互连接,这一数字几乎达到了难以理解的程度。

你能用它做什么?

具有一百万个处理核心、可以模仿人类大脑功能的计算机究竟具有什么实际用途?开发这种神经形态计算机的主要原因之一,是帮助神经科学家了解大脑的功能,并通过运行极其庞大和复杂的实时模拟来实现。例如,不久以前,在 SpiNNaker 只有 50 万个处理器时,它被用来模拟一系列孤立大脑网络的实时处理过程,其中包括一部分人脑皮层的八万个神经元模型。分布于大脑表面的皮层负责最终接收和处理来自各种感官的信息。这个相当聪明的计算机也通过模拟名为基底神经节的大脑区域——帕金森病所影响的区域,表现出对抗这一可怕疾病的能力。可以肯定的是,这种设备确实具有探索神经功能和这类疾病的巨大潜力,这可能会引发更广阔的科学认识并为某些疾病提供治疗方案。

SpiNNaker 芯片

一百万个核心?那又怎样!

可能也有其他计算机具有同样多的处理器,甚至数量可能比 SpiNNaker 更多,但是这台计算机的与众不同之处在于,其基础架构可以将所有处理器连接在一起。人类大脑可以同时激活数十亿个神经元并将信号传输到数千个不同的目的地,而这种超级神经形态计算机的体系结构支持高水平的处理器到处理器通信,就像人类大脑一样运转,简直难以置信。而其他计算机缺乏这样的功能。SpiNNaker 实际上能够同时处理 200 千万亿次信号传输,这一数字着实令人印象深刻。

大脑模拟

SpiNNaker 的功能与人脑相比究竟怎么样?在它有近乎人脑一样的能力之前,还有很长的路要走。即使它具有惊人的技术规格,SpiNNaker 仍然只有普通人类大脑 1% 左右的能力,而且这很可能还是对其当前能力的不保守估计。目前,据我们所知,模仿人类大脑超出了科学和技术的范畴。你们中的一些人可能已经注意到,这台计算机的规模与几十年前房间大小的计算机并没有太大差别,而用今天的标准衡量,那些计算机的功能几乎还无法与袖珍计算器相比。技术具有飞跃式发展的特性,神经形态计算机发展到手掌大小可能只是一个时间问题。时间将证明一切。

 

了解有关 SpiNNaker 项目的更多信息

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11 Dec 2018, 3:30