用計算機復刻大腦

9月1日，浙江大學與之江實驗室共同發布了我國首臺基於自主智慧財產權類腦晶片的類腦計算機Darwin Mouse。

Darwin Mouse包含792顆浙江大學研製的達爾文2代類腦晶片，支持1.2億脈衝神經元、近千億神經突觸，與小鼠大腦神經元數量規模相當。相比傳統計算機的高能耗問題，它的典型運行功耗只需要350至500瓦。

目前它是全球神經元規模最大的類腦計算機，這一成果也標誌著我國類腦計算技術發展迎來新的裡程碑。

讓機器無限模仿人類，模擬大腦的機制和結構是人工智慧最重要的發展方向，因此在計算機發展方向上，借鑑人腦信息處理方式，來打破「馮·諾依曼架構」就是大勢所趨。

在傳統構架中，計算模塊和存儲單元相互分離，CPU在執行命令時必須先從存儲單元中讀取數據，處理能力明顯受限。

因此科學家們將目光聚焦在人類大腦，希望仿真、模擬和學習借鑑人腦的神經系統結構和信息處理過程，構建出實現高能效與高智能水平的計算系統：類腦計算機。

Darwin Mouse與它的大腦

類腦計算機Darwin Mouse目前還是「大塊頭」，它高1.6米，由3個標準伺服器機箱組成，從外觀看來，紅色信號燈閃爍不停。

它的體內有792顆我國自主產權的達爾文2代類腦計算晶片，每顆晶片上有15萬個神經元，每4顆晶片為一組做成一塊板子，若干塊板子連接成一個模塊，然後這些模塊像搭積木一樣組建成類腦計算系統。

為什麼說它「類腦」，項目研究骨幹馬德副教授解釋道，大腦神經元的工作機理是鉀離子鈉離子的流入流出導致細胞膜電壓變化，從而實現信息傳遞。類腦計算機晶片的運作原理就類似這種生物的神經元行為，通過脈衝傳遞信號，這樣就能實現高度並行，效率提升。

當然，要實現這麼多神經元的高效聯動組合，同時把雜亂無章的信息流有序分配到對應的功能腦區，還需要一個管理中樞。為此科研人員專為Darwin Mouse研發了類腦作業系統：DarwinOS。

這個「大腦中樞」用以實現對類腦計算機硬體資源的有效管理與調度，支撐類腦計算機的運行與應用。據悉這款達爾文類腦作業系統的功能任務切換時間達微秒級，可支持億級類腦硬體資源管理，既可以應用於生活中的智能任務處理，也可以應用於神經科學研究。

Darwin Mouse像大腦一樣「思考」

讓計算機擁有人類大腦的思考能力，是提升其智能水平的重要方向。目前Darwin Mouse類腦計算機已經實現了多種智能任務。

比如研究者將類腦計算機作為智能中樞，實現抗洪搶險場景下多個機器人的協同工作。通過演示視頻，我們能看到，通過類腦計算機系統，3臺機器人分工明確開展抗洪搶險任務：1號通過自帶攝像頭巡邏，發現險情呼叫3號修理大壩，遇到人體模型呼叫2號救援。

整個過程涉及到語音識別、目標檢測、路徑規劃等多項智能任務的同時處理，以及機器人間的協同。

研究人員表示，從表面上看整場任務普通機器人也能實現，但實際上它最大的不同在於三個機器人是在類腦計算機的控制下通過語音開展移動指令，並接受任務分配的，它們通過不同的腦區來操控，功能可隨機應變。

除此之外，Darwin Mouse還通過模擬多個不同腦區，建立了丘腦外側膝狀核的神經網絡模型，仿真不同頻率閃動的視覺刺激時該腦區神經元的周期性反應；借鑑海馬體神經環路結構和神經機制構建了學習-記憶融合模型，實現音樂、詩詞、謎語等的時序記憶功能；甚至還有通過腦電信號的穩態視覺誘發電位實時解碼，可「意念」打字輸入。

最有趣的一項智能任務還是研究人員給Darwin Mouse唱一首歌其中的兩句，然後它接棒把後續的內容唱出來。這並非靠檢索功能實現，而是模擬海馬體的記憶-學習功能，實現類人類大腦的運轉過程。

目前Darwin Mouse距離真正的人腦無論規模還是智能化程度都還很遠，可以說它的開發還處於初級階段。

科研人員的下一階段目標是將它變的更「聰明」，當然他們的的終極目標是希望類腦計算機達到真正大腦一樣的高速工作，以超低功耗提供更強的人工智慧，與馮·諾依曼架構並存與互補去解決不同的問題。

參考資料：

浙江大學、之江實驗室成功研製億級神經元類腦計算機－《之江實驗室》