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來源：中國計算機報

    IBM開發(fā)的“深藍”計算機戰(zhàn)勝了國際象棋世界冠軍卡斯巴羅夫，隨后認知計算研究更成為計算機和生物技術領域的研究熱點。2012年度“超級計算機大會”于上月在美國猶他州鹽湖城舉行，IBM發(fā)布了其關于認知計算的最新研究成果——《Compass：一個認知計算架構的可擴展的模擬器》。

    認知計算是指模仿人類大腦的計算系統(tǒng)，讓計算機像人一樣思考，而不是僅僅是作為一個開發(fā)系統(tǒng)。認知計算集成IT和生物技術來重建大腦?？茖W家們以對大腦更深入的生物層面的解讀為基礎，建立計算機系統(tǒng)，該系統(tǒng)還能在過去經(jīng)驗的基礎之上做出判斷。認知計算在21世紀更加得到重視，IBM開發(fā)的neurosynaptic(神經(jīng)突觸)計算機芯片為此拉開帷幕，IBM目標是開發(fā)出比人腦運行速度更快的電腦。

                    

    認知計算非馮·諾依曼架構

    人的大腦和現(xiàn)代計算機具有完全不同的架構，它們擅長不一樣的應用領域。現(xiàn)代計算機一般使用固定的數(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題，數(shù)據(jù)存儲與計算過程在不同地址空間完成。而與之形成鮮明對比的是，人的大腦會重復利用神經(jīng)元，并突觸、異步、并行、分布式、緩慢、不具通用性地處理問題，是可重構的、專門的、容錯的生物基質(zhì)，并且人腦記憶數(shù)據(jù)與進行計算的邊界是模糊的。因此，現(xiàn)代計算機的架構不能模擬人腦的功能和實時反應毫不稀奇，完成這個任務需要一個新穎的架構。

    目前，現(xiàn)代計算機采用CMOS技術建立架構，雖然該技術已足夠支撐各種計算功能，但還不能實現(xiàn)低功耗的以人腦方式處理問題的功能。為此，IBM計劃研發(fā)一種新型、超低功耗、緊湊型、模塊化的架構。該架構是由數(shù)目龐大的neurosynaptic芯片組成的數(shù)字通信網(wǎng)絡，每個內(nèi)核集成計算(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。它的每個芯片是事件驅(qū)動(與時間驅(qū)動相對應)、可重構、超低功耗。所有芯片并行運作，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，新型架構是高度可擴展的，就像大腦皮層一樣。

    新的計算機體系架構需要在目前CMOS技術限制下實現(xiàn)具有神經(jīng)科學本質(zhì)的一種新型架構。這與如今建立在馮·諾依曼架構的基礎之上的電腦完全不同，是顛覆性的創(chuàng)造。這將顛覆傳統(tǒng)計算模式，用人工大腦的思維來統(tǒng)占和取代信息時代。在2012年超級計算機大會上，IBM公布了它在這方面的最新進展——架構模擬器，被稱為“TrueNorth”的Compass。該Compass多線程、大規(guī)模并行、高度可擴展，在通信、計算和內(nèi)存方面采用多項創(chuàng)新技術。簡單來說，這種芯片技術是模擬一個人腦，并且完成人腦的各種功能。該技術一旦成功，統(tǒng)治計算機結構至今的馮·諾依曼體系將徹底被顛覆。

    計算機新架構TrueNorth

    基于神經(jīng)科學、納米技術、超級計算等理論，IBM開發(fā)出一個新型、超低功耗、緊湊、模塊化的非馮·諾依曼認知計算架構——TrueNorth。TrueNorth是一個可擴展的neurosynaptic計算機體系結構，該架構能夠?qū)崿F(xiàn)類人腦功能，即低功耗、低容量地模擬人腦實時反應。neurosynaptic是一種具有革命性的新一代計算機芯片。與現(xiàn)有芯片不同，neurosynaptic通過先進算法和硅電路，模擬發(fā)生于大腦等生物系統(tǒng)中神經(jīng)細胞和突觸之間的現(xiàn)象，進行認知并積累學習。

    TrueNorth是模仿人腦的組織和功能而設計的，用CMOS電路器件組成生物學中的神經(jīng)元的軸突(水平線)，樹突(垂直線)和突觸。TrueNorth的關鍵模塊核心是neurosynaptic，如圖中所示，它通過通信網(wǎng)絡連接到系統(tǒng)中的其他TrueNorth核心。

    IBM完成的首個TrueNorth計算單元，由256個神經(jīng)元，256×256個突觸和256個軸突構成。神經(jīng)元代表計算，突觸表示內(nèi)存，神經(jīng)元軸突連接代表溝通。這種新的計算單位或核心與大腦類似，仿生芯片有“神經(jīng)元”，或者說是數(shù)字信息處理器;“突觸”是學習和記憶的基礎;“軸突”即數(shù)據(jù)通路可以連接計算機各組織。每個TrueNorth核心使得系統(tǒng)內(nèi)計算和內(nèi)存功能很相近，打破了馮·諾伊曼瓶頸。通信網(wǎng)絡僅由事件驅(qū)動，并不需要時鐘。也就是說它已經(jīng)擁有了處理器、內(nèi)存和通信的基本架構。由于它們模仿大腦的“結構和突觸可塑性”，因而處理過程是分布式和平行式的，而非集中和串行式的。

    為使TrueNorth能夠運行，IBM設計了一個多線程的大規(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、計算和內(nèi)存的創(chuàng)新，它展示出前所未有的計算規(guī)模和計算速度，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的最終目標是從架構、算法到應用全面實現(xiàn)類腦功能，而Compass是其邁出的至關重要的一步。

    TrueNorth和Compass展示了大規(guī)模的并行分布式計算架構，是現(xiàn)代馮·諾依曼架構的補充。為了充分利用這一架構的特點，開發(fā)者需要摒棄以往較長的串行程序，而使用較短的并行程序。因此IBM的下一個目標是開發(fā)一種新的并行編程語言，從而給算法設計人員提供一個有效的工具，使新的計算架構可以最大程度地發(fā)揮自己的設計功能。TrueNorth是在現(xiàn)代CMOS技術限制下開發(fā)出的實現(xiàn)類腦功能的架構，但它無疑是一個創(chuàng)舉，激發(fā)了我們對未來的探索熱情。

    也許有一天，人類可以開發(fā)出全新芯片的技術，現(xiàn)在內(nèi)存處理器的延遲和緩慢的計算速度有望成為歷史，嶄新的計算時代終會到來!