【新智元導(dǎo)讀】牛津大學(xué)等的研究人員研發(fā)了一種模擬人腦突觸行為、利用光子集成電路的“光子芯片”。在測試中，這種芯片的運算速度可以比人腦的速度快1000倍。這種芯片如果用于超級計算機，則可最大限度地同時儲存信息，并只需使用最小的功率。

隨著人工智能不斷使機器變得更加智能，科技界許多人認為“奇點”——技術(shù)進步使得機器比人類聰明上指數(shù)級的倍數(shù)的時間點——就在眼前。

但是，當(dāng)涉及到計算的時候，人類的大腦仍然比地球上任何一個技術(shù)處理系統(tǒng)都要強大得多（而且效率高得多）。

事實上，開發(fā)能夠模仿大腦突觸的工作方式的微芯片——特別是它們幾乎不需要能量來處理和存儲信息的能力——一直以來都是計算的“圣杯”。

來自艾克塞特大學(xué)、牛津大學(xué)和明斯特大學(xué)的研究人員領(lǐng)導(dǎo)的研究小組研發(fā)了一種專門的光子芯片。在測試中，這種芯片的運算速度可以比人腦的速度快1000倍。這種芯片如果用于超級計算機，則可最大限度地同時儲存信息，并只需使用最小的功率。科學(xué)家們朝著這個計算的“圣杯”又邁近了一步。

因為這款微芯片是由光驅(qū)動的，它們也可以在比任何電子處理系統(tǒng)都更低的能量供應(yīng)下執(zhí)行高速計算。

在人類大腦中，突觸將神經(jīng)細胞（或神經(jīng)元）連接在一起。構(gòu)成記憶和思想的大腦信號以微小的電荷的形式通過這些神經(jīng)細胞；當(dāng)電荷到達突觸時，它就會觸發(fā)神經(jīng)遞質(zhì)釋放，神經(jīng)遞質(zhì)是一種化學(xué)“信使”，在整個大腦中傳遞信息。

突觸功能的圖示

突觸本質(zhì)上是一種“電路”，它能促進我們的思維、感覺和活動的激活。而且突觸的數(shù)量非常多：在一個健康的大腦中存在著大約1000億個神經(jīng)元，每個神經(jīng)元都與其他成千上萬的神經(jīng)元相連接，大腦中突觸的數(shù)量估計在100萬億到1000萬億個之間。

不過，比它們的數(shù)量更令人驚異的是它們的速度：大腦中數(shù)以萬億計的“突觸連接”的運行速度與一臺擁有每秒1萬億比特的處理器的計算機的速度類似。（作為參考，這比你辦公室的每秒100兆比特的以太網(wǎng)速度要快1萬倍。)

考慮到人類大腦天生的強大處理能力，“神經(jīng)形態(tài)計算”領(lǐng)域的研究人員正在開發(fā)以大腦為靈感的計算機、設(shè)備以及用于商業(yè)用途的電子產(chǎn)品的模型。如果他們成功了，神經(jīng)形態(tài)芯片（或神經(jīng)芯片）有一天會取代我們的智能手機和其他設(shè)備里的CPU（中央處理器）。

現(xiàn)在，即使是世界上最快的處理器和CPU也無法接近大腦突觸的處理速度。在一個模擬實驗中，生物大腦1秒鐘處理的計算量，在K計算機（地球上最快的超級計算機之一）中，超過8萬個處理器工作了40分鐘才完成。

讓計算機變得更快是可能的，但也需要更多的能量。人類大腦的兩個主要的組成部分相比機器占有優(yōu)勢。我們龐大的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)和突觸可以：

1）快速并同時地處理和存儲大量信息（這被稱為“并行處理”），以及

2）用非常少的能量進行并行處理，總共只需要幾十瓦特的功率。

歐洲的研究人員用他們的光驅(qū)動芯片（light-powered microchip）解決了這兩個問題——他們制造出一種速度驚人的“硬件突觸”（hardware synapse），而且所需能量極低。

研究人員通過將“相變”（phase-change）材料和光子集成電路組合在一起，制造了這種芯片。相變材料在日常物品中有廣泛應(yīng)用，如可擦寫型的CD和DVD。

相變材料是一類隨溫度變化，能夠儲或和釋放大量能量的物質(zhì)。同時，光子集成電路利用光而不是電子來操縱原子和執(zhí)行其他功能。

使用光代替昂貴的、低效率的能源（例如電力）是許多科學(xué)家的目標(biāo)。事實上，一個被稱為“集成光子學(xué)”（integrated photonics）的學(xué)科專注于開發(fā)基于光信號的快速處理芯片，用于更快、更環(huán)保的電子產(chǎn)品。

由艾克賽特大學(xué)、牛津大學(xué)和明斯特大學(xué)的研究人員開發(fā)的光子芯片是一個很好的例子。根據(jù)研究小組的說法，他們的光子神經(jīng)突觸可以比人腦的速度快1000倍，這代表了破解大腦模擬計算機的“圣杯”的關(guān)鍵一步。

盡管迄今為止，研究團隊只進行了測試，以證明該微芯片在“突觸模擬”中的可編程性和有效性。但研究人員稱，他們的這一大腦啟發(fā)的創(chuàng)新顯示了神經(jīng)形態(tài)計算工具的解決方案的一個基本要求。而這正是研究人員所說的“開拓性突破”的意義所在。

再回到AI領(lǐng)域：如果在不久的將來，一個高速的、基于光的神經(jīng)芯片被應(yīng)用在我們的電子產(chǎn)品，那么這些設(shè)備將能夠以比以往更快的速度、更低的能量需求處理AI算法。如果設(shè)備能夠更快地支持AI和高級機器學(xué)習(xí)，人類的大腦就會失去它相對于機器的某些優(yōu)勢，這也許會讓我們離奇點又近一步。

原文地址：https://www./research/human-brain-microchip-artificial-intelligence-processing/