國內(nèi)首個100億規(guī)模“神經(jīng)元”人腦模擬器誕生

近日，國內(nèi)初創(chuàng)企業(yè)西井科技宣布其100億規(guī)模“神經(jīng)元”人腦模擬器誕生。

該人腦模擬器被命名為“Westwell Brain”（西井大腦），西井科技稱其是目前公開已知的模擬“神經(jīng)元”數(shù)量最多的人腦模擬器，也是目前唯一由硬件設(shè)計完成的人腦模擬器。

西井科技是一家成立剛剛一年的企業(yè)，也是一間專注研究Neuromorphic仿腦神經(jīng)形態(tài)工程的商業(yè)試驗室。實驗室由西井科技首席科學家汪潤春帶領(lǐng)，汪潤春是西悉尼大學生物醫(yī)學工程與神經(jīng)科學學科博士后，在人腦神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域有著多年的研究。在之前的研究中，汪潤春使用了一種新的延遲自適應算法，可以應用于包括FPGA實現(xiàn)和混合/模擬信號超大規(guī)模集成電路，實現(xiàn)類人腦神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的處理方式。該研究的優(yōu)勢在于低功耗和低成本，且獨具實時學習能力，極大提升運算速度。這次，西井科技主要是將汪潤春的研究成果產(chǎn)品化。目前，西井科技的團隊成員在20人。

要了解上海西井科技如何研制出100億規(guī)模“神經(jīng)元”人腦模擬器，就必須對神經(jīng)元有所了解。

人類大腦有一千億個神經(jīng)細胞，彼此之間由大量的神經(jīng)纖維連接成極為復雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。神經(jīng)元在接受到某種信息的“激勵”后，就會產(chǎn)生一個電脈沖，神經(jīng)元在受到強激勵的時候會產(chǎn)生大量的脈沖，以至于不斷間隔產(chǎn)生大量脈沖，而當頻繁的激勵過程會被神經(jīng)元細胞對信號的刺激適應，那么每次的放電間隔會越來越少，從而慢慢降低自己的功耗。在神經(jīng)生理學上，神經(jīng)細胞重復地從事一件事情，同時相互間反射，就會自動建立起一種長期穩(wěn)定的聯(lián)系。

在人類思維產(chǎn)生，學習新生事物的過程中，大腦皮層中的神經(jīng)元細胞也正在進行信息的交互，如同電閃雷鳴一樣釋放著電脈沖，大腦每一塊扇形區(qū)域的“咆哮”，正對應于身體的不同器官，對于各種圖像、聽覺、邏輯、語言等做出反應。

西井科技正是通過使用電路去直接模擬人類的“神經(jīng)元”形態(tài)，建立起神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中“神經(jīng)元”與“神經(jīng)元”之間的連接，通過依靠這些“神經(jīng)元”來處理信息，用脈沖spike來傳遞信息，創(chuàng)造連接了擁有100億神經(jīng)元的神經(jīng)網(wǎng)格來模擬人類大腦的運行方式。

具體來說，西井科技使用了硬件平臺模擬人類“神經(jīng)元”。該硬件平臺內(nèi)含有80個“神經(jīng)引擎”（neural engine），每個“神經(jīng)引擎”含有512K個“神經(jīng)核”（neural core），每個“神經(jīng)核”（neural core）含有256個“神經(jīng)元”。每個“神經(jīng)引擎”含有128M神經(jīng)元，每個“神經(jīng)元”最多可以連接到13.5K個“神經(jīng)元”。因此，每塊硬件就含有51.2億個“神經(jīng)元”，整個模擬器就擁有了超過100億“神經(jīng)元”。

Westwell Brain人腦模擬器的實時演示視頻

“Westwell Brain”與Google“人腦模擬器”的區(qū)別

2012年，Google的科學家曾通過將1.6萬片電腦處理器（cpu)連接起來，創(chuàng)造了一個擁有 10 億多條神經(jīng)元連接的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

從模擬“神經(jīng)元”的數(shù)量級上看，“Westwell Brain”模擬的“神經(jīng)元”數(shù)量為Google“人腦模擬器”的10倍，是目前世界上在最小體積單位上實現(xiàn)最多神經(jīng)元數(shù)量的人腦模擬器。

而兩者最本質(zhì)的區(qū)別在于，“Westwell Brain”已完全擺脫了馮·諾依曼計算機結(jié)構(gòu)，使用的是電路模擬“神經(jīng)元”的方法，而Google“人腦模擬器”卻仍使用了1.6萬片電腦處理器（cpu）連接。

據(jù)西井科技首席科學家汪潤春博士介紹：馮·諾依曼理論主要核心為數(shù)字計算機的數(shù)制采用二進制，即0和1；同時，計算機是按照程序順序執(zhí)行，也就是所謂的“串聯(lián)”。而真正的人腦神經(jīng)元模式則為“并聯(lián)”，這就是為什么，人類可以同步將諸如視覺圖像信息神經(jīng)元、邏輯思維判斷神經(jīng)元與人類“自我學習”的能力等自然結(jié)合完成相關(guān)“任務”。

比如：當一個人面前同時出現(xiàn)了一本雜志與一份報紙，普通正常人會在一瞬間立即完成對雜志與報紙的這兩者屬性的基本判斷，這就是由于我們大腦內(nèi)視覺圖像信息神經(jīng)元、邏輯思維判斷神經(jīng)元與人類“自我學習”的能力一瞬間“并行”作用的結(jié)果。而這與馮·諾依曼理論的“串聯(lián)”有完全的不同。

再舉個例子：斯坦福計算機視覺實驗室的李飛飛教授在2015年的TED演講中播放了幾幅貓的照片，有正常角度拍攝的，也有貓咪躲在沙發(fā)后只露出頭的照片，李教授表示這些所有貓的照片都能被3歲的孩子辨認出，但計算機技術(shù)目前還在努力爭取完全“識別”。這也是一個很好詮釋“并聯(lián)”與“串聯(lián)”、人腦與計算機差異的例子。

那么“Westwell Brain”能模擬出類似人腦的“并聯(lián)”結(jié)構(gòu)的理論依據(jù)是什么？

汪潤春博士給出了答案。他說西井科技的理論基礎(chǔ)是神經(jīng)形態(tài)工程學（Neuromorphic Engineering）。這是一個新興的交叉學科領(lǐng)域，它將工程技術(shù)方法與神經(jīng)科學研究融合在一起，從分子、細胞、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直至認知和行為學的層面來研究神經(jīng)系統(tǒng)的構(gòu)成及其工作機制。

該學科的奠基人之一便是在上世紀80年代末提出類腦研究的美國科學家Carver Mead。Carver Mead曾提出：運用包含虛擬電路的超大規(guī)模集成電路系統(tǒng)來模仿在人類神經(jīng)系統(tǒng)中存在的神經(jīng)生物構(gòu)造，跳脫出原有的計算機模式，開發(fā)出能夠利用簡單、可靠、快速且低能耗運算設(shè)備的隨機行為的新技術(shù)，破譯大腦活動信息，理解人的思維，由此實現(xiàn)全新意義上的人機交互。

“Westwell Brain”的真正價值

“Westwell Brain”作為全球首臺100億“神經(jīng)元”人腦模擬器，對未來人類了解腦、保護腦、創(chuàng)造“腦”將具有積極廣泛和深遠的意義。

西井科技CEO譚黎敏表示："Westwell Brain”支持目前世界神經(jīng)形態(tài)研究領(lǐng)域最常用的軟件“PyNN interface"，該軟件被神經(jīng)形態(tài)領(lǐng)域科學家普遍使用開展神經(jīng)形態(tài)相關(guān)研究。同時，“Westwell Brain”也是目前世界上唯一可以商用化的人腦模擬器。

目前，世界腦科學研究領(lǐng)域的三大方向為：

（1）闡明腦功能：也就是研究產(chǎn)生感知、情感和意識的腦區(qū)結(jié)構(gòu)和功能（功能定位、認知、運動、情感、學習，思維、直覺、自我意識），研究腦通訊功能（語言信息在腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中表達的機制，人類獲得語言能力的過程、語言、思想和智力之間的關(guān)系）；

（2）征服腦疾患：研究控制腦發(fā)育和衰老過程（識別與發(fā)育及腦分化相關(guān)的基因家族、發(fā)展調(diào)節(jié)腦發(fā)育和分化的技術(shù)手段，促進人類大腦健康發(fā)育和防止發(fā)育異常，控制人腦衰老），研究控制腦發(fā)育和衰老過程（識別與發(fā)育及腦分化相關(guān)的基因家族、發(fā)展調(diào)節(jié)腦發(fā)育和分化的技術(shù)手段，促進人類大腦健康發(fā)育和防止發(fā)育異常，控制人腦衰老）；

（3）開發(fā)出類腦芯片和類腦超級計算機：發(fā)展腦型器件和結(jié)構(gòu)（具有學習和記憶能力的神經(jīng)元芯片、智力認知功能，具有智力、情感和意識的腦型計算機），設(shè)計和開發(fā)腦型信息產(chǎn)生和處理系統(tǒng)（支持人類機能的機器人系統(tǒng)）。

而“Westwell Brain”就像一個工具一樣，未來可以支持其他科學家去了解腦、保護腦、創(chuàng)造“腦”。比如:“Westwell Brain”可以通過接受醫(yī)學上大腦神經(jīng)元脈沖放電數(shù)據(jù)，通過直觀方式呈現(xiàn)人腦的脈沖形態(tài)，以幫助人類更清晰更直觀的研究人腦的一些諸如帕金森氏綜合癥、阿茲海默癥等癥狀，同時采集藥理或治療方案數(shù)據(jù)，反饋回大腦仿真模擬器，來檢驗藥物及治療的作用區(qū)域及效果。還可以為未來治愈由腦部神經(jīng)元造成的疾病以及神經(jīng)性受損創(chuàng)傷后的術(shù)后康復等提供新的、更科學的治療方法。

除了人腦模擬器，西井科技還在研發(fā)一種完全跳脫于馮諾依曼結(jié)構(gòu)的神經(jīng)形態(tài)的芯片結(jié)構(gòu)——即模擬人腦神經(jīng)元工作原理而制造出的芯片，它既具備人腦的學習能力，又具備強大的特定運算能力，僅需一塊郵票大小的芯片，就能模仿人類大腦在短時間內(nèi)處理海量的感官信息。

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