近日，國(guó)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(chēng)其是目前公開(kāi)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(jì)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(zhuān)注研究Neuromorphic仿腦神經(jīng)形態(tài)工程的商業(yè)試驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)室由西井科技首席科學(xué)家汪潤(rùn)春帶領(lǐng)，汪潤(rùn)春是西悉尼大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程與神經(jīng)科學(xué)學(xué)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(rùn)春使用了一種新的延遲自適應(yīng)算法，可以應(yīng)用于包括FPGA實(shí)現(xiàn)和混合/模擬信號(hào)超大規(guī)模集成電路，實(shí)現(xiàn)類(lèi)人腦神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的處理方式。該研究的優(yōu)勢(shì)在于低功耗和低成本，且獨(dú)具實(shí)時(shí)學(xué)習(xí)能力，極大提升運(yùn)算速度。這次，西井科技主要是將汪潤(rùn)春的研究成果產(chǎn)品化。目前，西井科技的團(tuán)隊(duì)成員在20人。

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

人類(lèi)大腦有一千億個(gè)神經(jīng)細(xì)胞，彼此之間由大量的神經(jīng)纖維連接成極為復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。神經(jīng)元在接受到某種信息的“激勵(lì)”后，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電脈沖，神經(jīng)元在受到強(qiáng)激勵(lì)的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生大量的脈沖，以至于不斷間隔產(chǎn)生大量脈沖，而當(dāng)頻繁的激勵(lì)過(guò)程會(huì)被神經(jīng)元細(xì)胞對(duì)信號(hào)的刺激適應(yīng)，那么每次的放電間隔會(huì)越來(lái)越少，從而慢慢降低自己的功耗。在神經(jīng)生理學(xué)上，神經(jīng)細(xì)胞重復(fù)地從事一件事情，同時(shí)相互間反射，就會(huì)自動(dòng)建立起一種長(zhǎng)期穩(wěn)定的聯(lián)系。

在人類(lèi)思維產(chǎn)生，學(xué)習(xí)新生事物的過(guò)程中，大腦皮層中的神經(jīng)元細(xì)胞也正在進(jìn)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(duì)應(yīng)于身體的不同器官，對(duì)于各種圖像、聽(tīng)覺(jué)、邏輯、語(yǔ)言等做出反應(yīng)。

西井科技正是通過(guò)使用電路去直接模擬人類(lèi)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(guò)依靠這些“神經(jīng)元”來(lái)處理信息，用脈沖spike來(lái)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(lái)模擬人類(lèi)大腦的運(yùn)行方式。

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

Westwell Brain人腦模擬器的實(shí)時(shí)演示視頻

“Westwell Brain”與Google“人腦模擬器”的區(qū)別

2012年，Google的科學(xué)家曾通過(guò)將1.6萬(wàn)片電腦處理器（cpu)連接起來(lái)，創(chuàng)造了一個(gè)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(jí)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(shí)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(jì)算機(jī)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(wàn)片電腦處理器（cpu）連接。

據(jù)西井科技首席科學(xué)家汪潤(rùn)春博士介紹：馮·諾依曼理論主要核心為數(shù)字計(jì)算機(jī)的數(shù)制采用二進(jìn)制，即0和1；同時(shí)，計(jì)算機(jī)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(lèi)可以同步將諸如視覺(jué)圖像信息神經(jīng)元、邏輯思維判斷神經(jīng)元與人類(lèi)“自我學(xué)習(xí)”的能力等自然結(jié)合完成相關(guān)“任務(wù)”。

比如：當(dāng)一個(gè)人面前同時(shí)出現(xiàn)了一本雜志與一份報(bào)紙，普通正常人會(huì)在一瞬間立即完成對(duì)雜志與報(bào)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(jué)圖像信息神經(jīng)元、邏輯思維判斷神經(jīng)元與人類(lèi)“自我學(xué)習(xí)”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(gè)例子：斯坦福計(jì)算機(jī)視覺(jué)實(shí)驗(yàn)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(rèn)出，但計(jì)算機(jī)技術(shù)目前還在努力爭(zhēng)取完全“識(shí)別”。這也是一個(gè)很好詮釋“并聯(lián)”與“串聯(lián)”、人腦與計(jì)算機(jī)差異的例子。

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

汪潤(rùn)春博士給出了答案。他說(shuō)西井科技的理論基礎(chǔ)是神經(jīng)形態(tài)工程學(xué)（Neuromorphic Engineering）。這是一個(gè)新興的交叉學(xué)科領(lǐng)域，它將工程技術(shù)方法與神經(jīng)科學(xué)研究融合在一起，從分子、細(xì)胞、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直至認(rèn)知和行為學(xué)的層面來(lái)研究神經(jīng)系統(tǒng)的構(gòu)成及其工作機(jī)制。

該學(xué)科的奠基人之一便是在上世紀(jì)80年代末提出類(lèi)腦研究的美國(guó)科學(xué)家Carver Mead。Carver Mead曾提出：運(yùn)用包含虛擬電路的超大規(guī)模集成電路系統(tǒng)來(lái)模仿在人類(lèi)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(jì)算機(jī)模式，開(kāi)發(fā)出能夠利用簡(jiǎn)單、可靠、快速且低能耗運(yùn)算設(shè)備的隨機(jī)行為的新技術(shù)，破譯大腦活動(dòng)信息，理解人的思維，由此實(shí)現(xiàn)全新意義上的人機(jī)交互。

“Westwell Brain”的真正價(jià)值

“Westwell Brain”作為全球首臺(tái)100億“神經(jīng)元”人腦模擬器，對(duì)未來(lái)人類(lèi)了解腦、保護(hù)腦、創(chuàng)造“腦”將具有積極廣泛和深遠(yuǎn)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(xué)家普遍使用開(kāi)展神經(jīng)形態(tài)相關(guān)研究。同時(shí)，“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(xué)研究領(lǐng)域的三大方向?yàn)椋?/p>

（1）闡明腦功能：也就是研究產(chǎn)生感知、情感和意識(shí)的腦區(qū)結(jié)構(gòu)和功能（功能定位、認(rèn)知、運(yùn)動(dòng)、情感、學(xué)習(xí)，思維、直覺(jué)、自我意識(shí)），研究腦通訊功能（語(yǔ)言信息在腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中表達(dá)的機(jī)制，人類(lèi)獲得語(yǔ)言能力的過(guò)程、語(yǔ)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(guò)程（識(shí)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(jìn)人類(lèi)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(guò)程（識(shí)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(jìn)人類(lèi)大腦健康發(fā)育和防止發(fā)育異常，控制人腦衰老）；

（3）開(kāi)發(fā)出類(lèi)腦芯片和類(lèi)腦超級(jí)計(jì)算機(jī)：發(fā)展腦型器件和結(jié)構(gòu)（具有學(xué)習(xí)和記憶能力的神經(jīng)元芯片、智力認(rèn)知功能，具有智力、情感和意識(shí)的腦型計(jì)算機(jī)），設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)腦型信息產(chǎn)生和處理系統(tǒng)（支持人類(lèi)機(jī)能的機(jī)器人系統(tǒng)）。

而“Westwell Brain”就像一個(gè)工具一樣，未來(lái)可以支持其他科學(xué)家去了解腦、保護(hù)腦、創(chuàng)造“腦”。比如:“Westwell Brain”可以通過(guò)接受醫(yī)學(xué)上大腦神經(jīng)元脈沖放電數(shù)據(jù)，通過(guò)直觀方式呈現(xiàn)人腦的脈沖形態(tài)，以幫助人類(lèi)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(shí)采集藥理或治療方案數(shù)據(jù)，反饋回大腦仿真模擬器，來(lái)檢驗(yàn)藥物及治療的作用區(qū)域及效果。還可以為未來(lái)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(fù)等提供新的、更科學(xué)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(xué)習(xí)能力，又具備強(qiáng)大的特定運(yùn)算能力，僅需一塊郵票大小的芯片，就能模仿人類(lèi)大腦在短時(shí)間內(nèi)處理海量的感官信息。

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