來(lái)源：中國(guó)計(jì)算機(jī)報(bào)
IBM開發(fā)的“深藍(lán)”計(jì)算機(jī)戰(zhàn)勝了國(guó)際象棋世界冠軍卡斯巴羅夫，隨后認(rèn)知計(jì)算研究更成為計(jì)算機(jī)和生物技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。2012年度“超級(jí)計(jì)算機(jī)大會(huì)”于上月在美國(guó)猶他州鹽湖城舉行，IBM發(fā)布了其關(guān)于認(rèn)知計(jì)算的最新研究成果——《Compass：一個(gè)認(rèn)知計(jì)算架構(gòu)的可擴(kuò)展的模擬器》。
認(rèn)知計(jì)算是指模仿人類大腦的計(jì)算系統(tǒng)，讓計(jì)算機(jī)像人一樣思考，而不是僅僅是作為一個(gè)開發(fā)系統(tǒng)。認(rèn)知計(jì)算集成IT和生物技術(shù)來(lái)重建大腦。科學(xué)家們以對(duì)大腦更深入的生物層面的解讀為基礎(chǔ)，建立計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)還能在過(guò)去經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上做出判斷。認(rèn)知計(jì)算在21世紀(jì)更加得到重視，IBM開發(fā)的neurosynaptic(神經(jīng)突觸)計(jì)算機(jī)芯片為此拉開帷幕，IBM目標(biāo)是開發(fā)出比人腦運(yùn)行速度更快的電腦。
認(rèn)知計(jì)算非馮·諾依曼架構(gòu)
人的大腦和現(xiàn)代計(jì)算機(jī)具有完全不同的架構(gòu)，它們擅長(zhǎng)不一樣的應(yīng)用領(lǐng)域。現(xiàn)代計(jì)算機(jī)一般使用固定的數(shù)字化的程序模型，同步、串行、集中、快速、具有通用性地處理問(wèn)題，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與計(jì)算過(guò)程在不同地址空間完成。而與之形成鮮明對(duì)比的是，人的大腦會(huì)重復(fù)利用神經(jīng)元，并突觸、異步、并行、分布式、緩慢、不具通用性地處理問(wèn)題，是可重構(gòu)的、專門的、容錯(cuò)的生物基質(zhì)，并且人腦記憶數(shù)據(jù)與進(jìn)行計(jì)算的邊界是模糊的。因此，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的架構(gòu)不能模擬人腦的功能和實(shí)時(shí)反應(yīng)毫不稀奇，完成這個(gè)任務(wù)需要一個(gè)新穎的架構(gòu)。
目前，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)采用CMOS技術(shù)建立架構(gòu)，雖然該技術(shù)已足夠支撐各種計(jì)算功能，但還不能實(shí)現(xiàn)低功耗的以人腦方式處理問(wèn)題的功能。為此，IBM計(jì)劃研發(fā)一種新型、超低功耗、緊湊型、模塊化的架構(gòu)。該架構(gòu)是由數(shù)目龐大的neurosynaptic芯片組成的數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)內(nèi)核集成計(jì)算(神經(jīng)元)，記憶體(突觸)，核心內(nèi)通信(軸突)，有望打破馮·諾伊曼瓶頸。它的每個(gè)芯片是事件驅(qū)動(dòng)(與時(shí)間驅(qū)動(dòng)相對(duì)應(yīng))、可重構(gòu)、超低功耗。所有芯片并行運(yùn)作，并且相互之間單向發(fā)送信息。芯片就像大腦灰質(zhì)，芯片之間的聯(lián)系就像白質(zhì)。由于芯片數(shù)量巨大，新型架構(gòu)是高度可擴(kuò)展的，就像大腦皮層一樣。
新的計(jì)算機(jī)體系架構(gòu)需要在目前CMOS技術(shù)限制下實(shí)現(xiàn)具有神經(jīng)科學(xué)本質(zhì)的一種新型架構(gòu)。這與如今建立在馮·諾依曼架構(gòu)的基礎(chǔ)之上的電腦完全不同，是顛覆性的創(chuàng)造。這將顛覆傳統(tǒng)計(jì)算模式，用人工大腦的思維來(lái)統(tǒng)占和取代信息時(shí)代。在2012年超級(jí)計(jì)算機(jī)大會(huì)上，IBM公布了它在這方面的最新進(jìn)展——架構(gòu)模擬器，被稱為“TrueNorth”的Compass。該Compass多線程、大規(guī)模并行、高度可擴(kuò)展，在通信、計(jì)算和內(nèi)存方面采用多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，這種芯片技術(shù)是模擬一個(gè)人腦，并且完成人腦的各種功能。該技術(shù)一旦成功，統(tǒng)治計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)至今的馮·諾依曼體系將徹底被顛覆。
計(jì)算機(jī)新架構(gòu)TrueNorth
基于神經(jīng)科學(xué)、納米技術(shù)、超級(jí)計(jì)算等理論，IBM開發(fā)出一個(gè)新型、超低功耗、緊湊、模塊化的非馮·諾依曼認(rèn)知計(jì)算架構(gòu)——TrueNorth。TrueNorth是一個(gè)可擴(kuò)展的neurosynaptic計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，該架構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)類人腦功能，即低功耗、低容量地模擬人腦實(shí)時(shí)反應(yīng)。neurosynaptic是一種具有革命性的新一代計(jì)算機(jī)芯片。與現(xiàn)有芯片不同，neurosynaptic通過(guò)先進(jìn)算法和硅電路，模擬發(fā)生于大腦等生物系統(tǒng)中神經(jīng)細(xì)胞和突觸之間的現(xiàn)象，進(jìn)行認(rèn)知并積累學(xué)習(xí)。
TrueNorth是模仿人腦的組織和功能而設(shè)計(jì)的，用CMOS電路器件組成生物學(xué)中的神經(jīng)元的軸突(水平線)，樹突(垂直線)和突觸。TrueNorth的關(guān)鍵模塊核心是neurosynaptic，如圖中所示，它通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)連接到系統(tǒng)中的其他TrueNorth核心。
IBM完成的首個(gè)TrueNorth計(jì)算單元，由256個(gè)神經(jīng)元，256×256個(gè)突觸和256個(gè)軸突構(gòu)成。神經(jīng)元代表計(jì)算，突觸表示內(nèi)存，神經(jīng)元軸突連接代表溝通。這種新的計(jì)算單位或核心與大腦類似，仿生芯片有“神經(jīng)元”，或者說(shuō)是數(shù)字信息處理器;“突觸”是學(xué)習(xí)和記憶的基礎(chǔ);“軸突”即數(shù)據(jù)通路可以連接計(jì)算機(jī)各組織。每個(gè)TrueNorth核心使得系統(tǒng)內(nèi)計(jì)算和內(nèi)存功能很相近，打破了馮·諾伊曼瓶頸。通信網(wǎng)絡(luò)僅由事件驅(qū)動(dòng)，并不需要時(shí)鐘。也就是說(shuō)它已經(jīng)擁有了處理器、內(nèi)存和通信的基本架構(gòu)。由于它們模仿大腦的“結(jié)構(gòu)和突觸可塑性”，因而處理過(guò)程是分布式和平行式的，而非集中和串行式的。
為使TrueNorth能夠運(yùn)行，IBM設(shè)計(jì)了一個(gè)多線程的大規(guī)模并行模擬器——Compass，它與TrueNorth的功能原理是相同的。由于Compass在通信、計(jì)算和內(nèi)存的創(chuàng)新，它展示出前所未有的計(jì)算規(guī)模和計(jì)算速度，它的神經(jīng)元數(shù)量可與人類大腦皮層的神經(jīng)元數(shù)量相媲美，它的突觸數(shù)目可與猴子大腦皮層的突觸數(shù)目相媲美。IBM的最終目標(biāo)是從架構(gòu)、算法到應(yīng)用全面實(shí)現(xiàn)類腦功能，而Compass是其邁出的至關(guān)重要的一步。
TrueNorth和Compass展示了大規(guī)模的并行分布式計(jì)算架構(gòu)，是現(xiàn)代馮·諾依曼架構(gòu)的補(bǔ)充。為了充分利用這一架構(gòu)的特點(diǎn)，開發(fā)者需要摒棄以往較長(zhǎng)的串行程序，而使用較短的并行程序。因此IBM的下一個(gè)目標(biāo)是開發(fā)一種新的并行編程語(yǔ)言，從而給算法設(shè)計(jì)人員提供一個(gè)有效的工具，使新的計(jì)算架構(gòu)可以最大程度地發(fā)揮自己的設(shè)計(jì)功能。TrueNorth是在現(xiàn)代CMOS技術(shù)限制下開發(fā)出的實(shí)現(xiàn)類腦功能的架構(gòu)，但它無(wú)疑是一個(gè)創(chuàng)舉，激發(fā)了我們對(duì)未來(lái)的探索熱情。
也許有一天，人類可以開發(fā)出全新芯片的技術(shù)，現(xiàn)在內(nèi)存處理器的延遲和緩慢的計(jì)算速度有望成為歷史，嶄新的計(jì)算時(shí)代終會(huì)到來(lái)!
