腦中即是未來：人造突觸的故事

原標題：腦中即是未來：人造突觸的故事

今天的人類，正在并不怎么齊心協(xié)力地展開一場“計算大逃亡”。

《流浪地球》里，小破球要逃離太陽的吞噬，而在現(xiàn)實中，人類在未來很可能面對經(jīng)典計算趕不上計算需求的“計算災(zāi)難”。

無人駕駛、AI、基因工程、海量移動設(shè)備，這些東西對算力的饑渴在與日俱增。而摩爾定律的瓶頸已經(jīng)逼近，晶體管芯片已經(jīng)日漸暴露出算力枯竭的危險。

為了擺脫這場很可能在未來爆發(fā)的“災(zāi)難”，計算科學(xué)構(gòu)思了不少“逃生計劃”。其中最著名的當(dāng)然就是量子計算。

而在量子計算之外，人類其實還有眾多備選計劃。而作為算力解決方案Plan B存在的，是在人類大腦中尋找答案的類腦計算。

我們都知道，世界上最強大的計算機也不及一顆普通的大腦，但是大腦到底是如何完成無比復(fù)雜計算的，其實始終是一個終極謎團。

而破解大腦計算之謎的一個方案，是探尋神經(jīng)元的工作原理，并仿照其工作模式制造計算設(shè)備，從而在外部世界中復(fù)制大腦的計算能力，這是一個計算科學(xué)與腦科學(xué)的融合命題，同時也是人工智能的探索目標。

在神經(jīng)元破解中，近兩年有一顆新星正在冉冉升起，它叫做人造突觸。這個對大部分人來說有點陌生的名字，可能在今天不如量子計算來得響亮，但卻很可能是類腦計算向前發(fā)展的基石——說不定哪一天，人類的計算災(zāi)難將以這項名字有點奇怪的技術(shù)作為諾亞方舟。

讓我們來講述一下，人造突觸到底是個啥，發(fā)展的怎么樣，未來又有哪些用處。

啥是突觸？

突觸這個名詞聽起來有點奇怪而陌生，然而事實上我們每個人都擁有大量的突觸。

今天我們已經(jīng)知道，大腦工作是建立在龐大的神經(jīng)元工作基礎(chǔ)上的。然而神經(jīng)元之間是沒有原生質(zhì)聯(lián)系的，而是僅僅相互接觸。這些神經(jīng)元之間的接觸點，就叫做突觸。

人類大腦中，包含800 億神經(jīng)元和超過 100 兆個神經(jīng)突觸。這些突觸之間相互產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，支撐了神經(jīng)元之間的互動，從而在大腦中完成每秒以兆次計數(shù)的計算，繼而產(chǎn)生了人類的情感、記憶與思考。

換句話說，在今天的神經(jīng)學(xué)科認知力，突觸是生物智能產(chǎn)生的最基本單位。它們就像芯片力的晶體管，支撐了大腦與神經(jīng)系統(tǒng)的運行。

突觸與神經(jīng)元到底是如何工作的，至今還是個謎案。有研究認為突觸的主要工作形態(tài)是神經(jīng)元間的化學(xué)反應(yīng)，以分泌乙酰膽堿、氨基酸類的化學(xué)物質(zhì)完成頭腦中的計算。

也有理論認為突觸的基本工作形態(tài)是在神經(jīng)中釋放電流，以抑制和刺激生物電極來支撐人腦的運作。同時也有理論認為，中樞神經(jīng)中的環(huán)境特殊，化學(xué)反應(yīng)和生物電都是工作原理的一部分。

在神經(jīng)學(xué)家越來越多地搞清楚了啥是突觸之后，計算科學(xué)就會開始思考：既然大腦的算力強大，而大腦的算力以突觸為單位，那咱們?nèi)嗽煲粋€突觸行不行？

計算的另一種想象：飛馳的人造突觸

人造突觸的研究從很早就開始進行，突觸傳遞的工作原理，已經(jīng)在軟件層面啟發(fā)了大量技術(shù)進化。比如突觸系統(tǒng)中展現(xiàn)出的突觸可塑性，就給復(fù)雜神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建帶來了不少啟發(fā)，甚至已經(jīng)成為了AI學(xué)界的常識之一。

值得注意的是，近兩年人造突觸在硬件層面，開始不斷涌現(xiàn)出新的科研成果。甚至可以說，在熱鬧的AI與量子計算身旁，人造突觸這條冷清的賽道，也開始出現(xiàn)了要飛馳一下的跡象。

2017年，有媒體報導(dǎo)中美跨國科研小組，在晶體管中模仿了神經(jīng)突觸的工作陌生。研究人員在一塊10厘米的晶圓上，構(gòu)建了144個突觸晶體管，打造出了有史以來功耗最低的人造突觸系統(tǒng)。

另一個趨勢，是更多新材料被應(yīng)用在了人造突觸的研制上。比如2017年4月，斯坦福大學(xué)和桑迪亞國家實驗室聯(lián)合構(gòu)建出了一種人工突觸，其材料主要由氫、碳兩種元素組成，具有顯著的親肉體性。這種材料將可能作用于腦機接口等領(lǐng)域，從而觀察和解決人腦中實際出現(xiàn)的問題。

在去年，人造突觸有一件大動作。2018年4月，《自然·材料》發(fā)布了麻省理工學(xué)院的最新人造突觸研究成果?？蒲腥藛T模仿離子在神經(jīng)元之間的流動方式，利用硅鍺制出了全新的人造突觸芯片。論文顯示，這枚完全不利用晶體管陌生的芯片，可以在識別手寫樣本中達成95%的識別準確率。

雖然人造突觸芯片今天還無法解決算力瓶頸這個史詩級難題，但這類芯片已經(jīng)證明了自己擁有更低功耗、更小體積、與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等計算形態(tài)有天然契合度的優(yōu)勢。

在算力需求多元化發(fā)展的今天，這些優(yōu)勢還是大有作為的。

AI、計算與大腦之間：人造突觸的應(yīng)用前景

人造突觸芯片，以及相關(guān)計算設(shè)備的特點，在于它完全采用類腦計算模式設(shè)計。無論是在解決AI算力需求，還是模仿人腦計算方面，都擁有著自己獨特的優(yōu)勢。而且其正處于腦科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、AI與計算科學(xué)的交叉路口上，可以從幾個領(lǐng)域吸收養(yǎng)分并做出回報，天然帶有不同的想象力。

就人工突觸工作本身而言，最希望解決的問題，當(dāng)然是突破算力極限的超級計算機。相較于于2進制計算，麻省理工的人工突觸芯片已經(jīng)可以同時完成14種模態(tài)計算的同時進行。如果說類腦計算被看作量子計算之外的plan B，那么人造突觸則可以看作plan B中的重要一環(huán)。

其次，對于人工智能來說，人造突觸芯片或許具有極高的價值。深度學(xué)習(xí)的瓶頸之一，就是對于極復(fù)雜神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模擬，很可能撞上算力極限。而人工突觸運算與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有天然的契合性，尤其在復(fù)雜的瞬時AI模擬等方面，很可能讓AI發(fā)揮出更大效用。

尤其在自然模態(tài)數(shù)據(jù)的處理與交互上，人工突觸模式已經(jīng)被證明要比傳統(tǒng)計算機適用得多，并且可以有效進行多種模態(tài)間的信息傳遞。未來我們期待的聽覺、視覺，甚至嗅覺、觸覺多模態(tài)交互計算機，很可能就產(chǎn)生于人工突觸研究中。

以上或許可以看作從腦科學(xué)中取經(jīng)，回到計算科學(xué)中應(yīng)用的場景。而反過來，人工突觸還可能從計算世界獲取某些特質(zhì)，反過來幫助腦科學(xué)的進步。

比如說對于大腦的模擬，在今天是一個重大課題。即使用人類最強大的計算機，我們還是無法模擬人類大腦的運行。

而與大腦運算結(jié)構(gòu)類似的人工突觸計算，則可能更好地幫助人類探索大腦，并且嘗試用計算的方式來達成大腦疾病治療、攻克阿茲海默癥，甚至探索潛意識、記憶等“神秘殿堂”的奧義。

而從材料學(xué)、功耗等角度看，人工突觸芯片很可能為腦機接口打開新的紀元。人工突觸芯片在更多采用非晶體管材料。這類計算材料更加柔軟靈活，具有親人體的特點，可以讓算力與人腦更好結(jié)合，讓大腦與芯片結(jié)合更加貼近可能。

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