塑造硅基之腦

17歲的德爾門德拉·莫德哈正在孟買的一家醫院里，帶領一幫工人刮除鐵椅子上的油漆。他很高興能擁有這份工作，因為它能保證穩定的收入，也能保證安全——在1986年的孟買，一位貧窮少年切合實際的最大追求不過如此。

然而這些年來，當他先是求學于印度最具聲望的理工學府之一，繼而進入加利福尼亞州圣何塞市的IBM阿爾瑪登研究中心，在計算機科學領域取得事業上的成功，胸中的抱負早已遠非昔日可比。

近日，這位長著黑色濃眉、留著短發、戴著眼鏡的小個子工程師，坐在美國硅谷的辦公室里，講述了他改變計算領域未來的愿景。“我們的任務很明確，”已經44歲的莫德哈拿著一枚有一塊金色方框的矩形電路板說道，“我們要讓這種芯片無處不在——每一個角落，每一樣物體中。我們要讓它們成為世界不可或缺的一部分。”

莫德哈展望出一種以這種新型芯片為關鍵核心的全新計算模式，其計算能力將令現存的任何機器望塵莫及。這種計算模式的模仿對象，正是令當年孟買那位窮苦勞工走向技術革新的重大要塞之一的神奇造物：人腦。

重新發現大腦

人腦消耗的能量大概相當于一枚20瓦的燈泡——這比一臺執行人腦級別運算的計算機節省了十億倍。它又是那么緊湊，能夠裝進一只兩升的汽水瓶里。然而，在5年前，莫德哈意識到，如果世界上最優秀的工程師采用舊的方法上下求索數十載，仍舊無法造出能效及智力可與人腦相比的機器，他們也許就永遠都做不到了。

于是他拋棄了過去60年來指導芯片設計和軟件開發的許多原則，轉而求助于神經學文獻。理解腦的不同組件及其互相配合的方式，能夠幫助他建造更加聰明、更加節能的硅基機器。

莫德哈的努力正在換來回報。他設計的新型芯片包含的硅基原件，粗略地模仿了碳基腦細胞的物理分布以及之間的連接。莫德哈相信，他的芯片可以用來建造人腦規模的認知計算系統，而能耗只比人腦高100倍。這樣的系統將比如今的計算機節能一千萬倍。

莫德哈的團隊已經演示了一些基礎的功能。他們開發的芯片能夠學會玩電子游戲《彈跳小球》，而無須程序員明確告知該如何做。在這個游戲里，玩家需要移動屏幕底端的一根長條，準確預測出小球彈起的角度。它們還能夠辨識實驗室助理用電子筆在平板上潦草寫下的阿拉伯數字0至9。

當然，已經有很多工程師實現了這樣的壯舉——而且令人印象更加深刻。開發算法使計算機根據經驗發展出新行為的努力，形成了一門名為機器學習的分支專業。這樣的機器已經在國際象棋和智力競賽節目《危險邊緣》中擊敗了世界上最聰明的頭腦。

雖然在教會計算機執行有著明確參數的特定任務，比如側向泊車或者在百科全書里尋找冷門問題的答案等方面，機器學習理論學家已經取得了進展，但他們的程序還不能讓計算機在完全沒有預設的情況下形成概念。

莫德哈希望，他的節能芯片能夠帶來變化。他說：“現代計算機最初被設計用來解決三類基礎問題：商業應用，比如記賬；科學，比如核物理模擬；還有政府項目，比如社會保險。”

建造硅腦

莫德哈并不是第一個從大腦中汲取靈感的工程師。人們對腦的最小單元——被稱為神經元的細胞——執行運算的方式的深刻理解，已經催生出了整個計算科學領域。

是神經元的激發，令我們能夠思考、感覺和移動。而這些能力并非源于任何單一神經元的活動，而是來自互聯成網的神經元相互傳遞簡單信號的協同工作。

早在1943年，模擬人腦的機器便有了理論上的可能。當時，神經生理學家沃倫·麥卡洛克和數學家沃爾特·匹茲提出了神經網絡通過互動相互激發在腦中傳遞消息的理想化數學方程。

麥卡洛克和匹茲找到了腦和計算機之間的基本相似點。只要有能力問出足夠多的“真/假”問題，不管腦還是計算機，最終都應該能夠解決哪怕最復雜的問題。

研究者已經模擬了數以億計一模一樣的這種規范電路，也許有一天，這些電路會將一種新型的認知計算機帶入現實。但它只是一個模型，運行在慢得令人惱火的古董機器上，永遠不會像大腦那樣工作，永遠無法步入認知的層面。

2008年，美國國防部先進研究項目局（DARPA）宣布了一個旨在為真正的認知計算機制造硬件的計劃。第一筆撥款將被用于設計節能芯片，它將成為新型機器的心臟與靈魂——莫德哈美夢成真了。

莫德哈還沒有將他的新型芯片及其處理器連接到模擬大腦物理結構的大型網絡上。但是他確信，這么做的收益將是巨大的。演化將腦中最有可能溝通的部分放在一起，從而賦予了腦相當節能的解剖結構，因為神經元離得越近，傳遞信號需要的能量便越少。莫德哈希望通過復制腦的宏觀布局，在他以腦結構為靈感的機器中，實現這種以及其他未曾想到的節能特性。

來源：《發現》雜志 編譯：秦鵬

本欄目責任編輯： 張毅（zhangyisuri@163.com）