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给计算机“大脑”全新的“思维”

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最近,美国加州大学圣巴巴拉分校研究人员演示了一种包含100个人工突触的简单人工神经元线路,第一次证明了这种线路能执行简单的人类视觉功能——给图像分类,这标志着人工智能的一项重大进步。


人脑比电脑具优势


尽管人脑有着潜在缺陷,计算中会犯各种错误,但却保持着一种强大而有效的计算模式,它能在不到1秒钟完成某些特殊的任务,而一台计算机要完成这些任务需要更多时间,消耗更多能量。


这些功能是什么?比如你阅读一篇文章,你的大脑将对看到的字母和符号作出无数个瞬间决策,区分它们的形状、彼此相对位置,并根据诸多背景渠道推导出不同层次的含义,这一切就发生在你阅读文章的短时间内。改变字体,甚至字母方向,你仍能读下去并推断出同样含义。


研究人员发表在《自然》杂志上的论文称,他们开发的线路使用了基本的人工神经网络,在演示中能成功区分3个字母“z”“v”和“n”的形象,每个字母都有多种风格呈现,或加入各种“干扰”。这一过程就像人类从一群人中找出自己的朋友,或者从一串相似钥匙中挑出正确的。简单神经线路能正确地区分出简单图形。


加州大学圣巴巴拉分校电学与计算机工厂教授德米特里·斯塔科夫说:“这是一小步,但却是重要的一步。”随着今后进一步发展,该线路最终可能扩展升级到接近人脑,人脑神经元之间约有100万亿个突触连接。


论文作者之一、该校电学与计算工程系的法诺德·麦里克-贝亚特说:“虽然与实际神经网络相比,线路非常小,但也足以证明概念的实用性了。”另一位论文作者吉娜·亚当也说,随着人们对这一技术兴趣的增加,研究动力会更足,“更多技术问题的解决,能让它更快进入市场”。


记忆态存储显威能


这项技术的关键是忆阻器(“记忆”和“电阻”的结合),其电阻变化取决于电荷流动的方向。传统晶体管是依赖电子和空穴在半导体材料中的漂移和扩散,忆阻器运作则以离子为基础,与人类神经细胞产生神经电信号的方式类似。


斯塔科夫说:“记忆态的存储是一种特殊的瑕疵浓度分布的形式,能在忆阻器内来回运动。”与纯粹的电子存储器相比,离子记忆机制有许多优势,更适合用在人工神经网络中。“比如,多种不同的离子浓度分布会带来连续的记忆状态,从而模拟记忆功能。”离子比电子更重,不容易隧穿,这让人们能极大地升级忆阻器而不必牺牲其模拟性能。


这种模拟胜过数字记忆:要想用传统技术实现与人脑同样的功能,设备必须很大,装载大量晶体管,这也会消耗更多能量。论文第一作者默克·普里兹奥索说:“人们发现,在高效的类脑计算中,传统计算机的架构总有着不可避免的限制。而基于忆阻器的技术是受生物大脑的启发,以另一种完全不同的方式来执行计算。”


然而,要想接近人脑功能,还需要更多忆阻器,以构建更复杂的神经网络,才能做到人类基本毫不费力就能做到的事,比如辨认同一事物不同的样子,或凭借一幅场景中的其他物体而不是目标物本身,推断出其中有没有要找的目标物。


未来计算机有新思维


“最令人兴奋的是,这种技术与其他大部分奇怪的解决方案不同,把它和普通的处理单元整合在一起并不难,而且大大促进了未来计算机的发展。”普里兹奥索说。


目前,这种新兴技术可能应用的领域已经存在,比如医疗成像,改进导航系统使其能根据图像来导航。随着市场需求的发展,按照摩尔法则预测的数字晶体管成倍增加,传统的电子设备将变得太过笨重。研究人员正在研制能量—效率密集型线路,要造出高性能计算机和记忆存储设备,还有很长的路要走。


目前,研究人员还在继续提高忆阻器的性能,升级线路复杂程度,增加人工神经网络的功能。下一步他们将把一个忆阻器神经网络和传统半导体技术整合在一起,以演示更复杂的功能,让这种早期“人工脑”做更复杂、更细微的事。理想情况下,这种“人工脑”由上万亿个这种忆阻器设备垂直整合在一起而构成,论文作者之一、材料科学家布莱恩·霍斯金斯说:“它们有许多潜在应用。毫无疑问它给了我们一种全新的思维。”


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