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美媒:模拟大脑芯片计算力或胜超级计算机

时间:2014-08-15 15:33:50 来源:鼎华科技 点击: 2416次

据美国《纽约时报》8月7日发表题为《新型计算机芯片被设计成像大脑一样工作》报道称,受大脑结构的启发,科学家开发出了一种新型电脑芯片,它的耗能并不比一个助听器多,但最终其计算能力却有望超过当今的超级计算机。
这一新处理器名为“TrueNorth”,是由国际商用机器公司(IBM)的研究人员开发的,详细报告发表在6日出版的美国《科学》杂志上。该芯片模拟大脑认知图形的方式,依靠的是相互密集连接的晶体管网络,有点类似大脑的神经网络。
据报道,新芯片的电子“神经元”能在一种数据比如光经过特定的入口时发出信号。同时,神经元开始将数据组织成图形,可表示出光正在变强,或者色彩、形状的改变。
通过这种方式,处理器就能识别出视频中一名女性正在捡起一个钱包,或者从口袋里掏出一个25分硬币。人类识别这种行为不需要有意识的思考,而目前的电脑和机器人要转换理解这类行为则很困难。
报道称,这种芯片包含54亿个晶体管,但只需要70毫瓦特的电力。相比之下,当今个人电脑和数据中心的英特尔处理器可能包含14亿个晶体管,而耗电量则大得多,为35到140瓦特。
目前的传统微处理器和显卡处理器每秒能进行数十亿次数学运算,而新的芯片系统的脉冲信号发生器使其计算能力仅为每秒1000次。然而,IBM的研究人员说,由于大量电路平行工作,它仍能在每耗电1瓦特的情况下实现每秒钟460亿次运算。
“TrueNorth”拥有100万个“神经元”,其复杂程度跟一只蜜蜂的大脑差不多。
“从可扩展性和低耗能方面说,这是个可观的成就,”美国伯克利劳伦斯国家实验所副所长霍斯特·西蒙说。
他将这一新设计与上世纪80年代的并行巨型计算机相提并论,他说,那个进步就好比是从两车道迈入了超级高速公路。
据报道,这种新的设计理念也叫神经形态或认知计算,仍处在早期研发阶段,IBM的芯片也还没有达到商业化的程度。然而,这一设计却引发了关于为计算机领域日益广泛使用的神经网络加速的最佳方法的激烈争论。
早在上世纪40年代,有工程师就提出了神经网络可用于处理信息的理念,那时现代计算机还没有发明。不过直到最近计算机的记忆能力和处理速度都大大提高后,它们才被证明是强大的计算工具。
报道称,近些年,谷歌、微软和苹果等公司都转向了神经网络驱动的图形识别开发,为的是大幅提高语音识别和照片分类等服务的质量。

“'TrueNorth'芯片就像第一个晶体管”,索尔克研究所计算神经生物学实验室负责人特里·谢伊诺夫斯基说,“它要真正具有竞争力还需要很多年,不过真的到了那个时候,它将成为一个能适用于手机的可扩展结构,而这是GPU(指图形处理器,目前用来在计算机屏幕上显示图形和视频的芯片)永远无法做到的。”
尽管计算技术取得了进步,但今天计算机的效率仍然远不及我们头颅内那一团2.3公斤重的物质。不过美国趣味科学网站5月2日报道称,研究人员说,一种模拟人类大脑的新型微芯片要比普通的计算机更为快速和高效。

这种名叫Neurogrid的微芯片可能为了解人类大脑以及开发模仿大脑网络的新型计算技术打开窗口
领导这种芯片开发工作的斯坦福大学生物工程师夸贝纳·博阿亨说,“纯粹从能量角度上说,大脑是难以匹敌的”,个人计算机(PC)不仅速度慢,而且消耗的能量也是大脑运转耗能的4万倍。

报道称,Neurogrid由16个专门设计的Neurocore芯片组成,它们被放置于一个大小如iPad的装置上,可以模拟100万个神经元和数十亿个突触(即神经连接)。研究人员说,这与以往的大脑模拟装置相比有了巨大的进步,但比起人脑中大约800亿个神经元仍只是九牛一毛。

通过让突触共享硬件网络,Neurogrid消耗的电能只有普通PC的约1/9000,能耗大致相当于一台平板电脑。
除模拟人脑外,博阿亨还在与斯坦福大学的其他研究人员合作对Neurogrid进行调试,以便用它来控制瘫痪患者的假肢。该芯片将能在不使大脑过热的情况下把脑信号转化为假肢的运动。另一个可能的用途是利用Neurogrid控制人形机器人。

目前,对芯片的编程需要了解大脑的工作机理。但博阿亨希望创建一套“神经编译程序”,以便让没有神经学知识的工程师对Neurogrid进行编程。
据报道,斯坦福大学团队的工作只是利用计算机模拟人脑的众多努力之一。欧盟的项目旨在利用超级计算机模拟人脑。美国的“通过推动创新型神经技术的大脑研究”(BRAIN)计划采取的是一种更为普遍的做法,即开发测量神经元和大脑网络活动的新工具。
国际商用机器公司(IBM)的“神经性自适应塑料可微缩电子系统”(SyNAPSE)计划旨在设计所谓的“金门”芯片,它将模拟使大脑能有效解决问题的存在于神经元之间的大量连接。每一枚“金门”芯片由256个数字神经元组成,而每个数字神经元则拥有1024个数字突触。该公司还计划加大这些数字。
博阿亨说,这些各式各样的努力在性能和表现上作出了不同的折中,但Neuogrid是其中成本效益最高的。
。研究人员正在研究怎样用这些芯片来控制假肢。

纽约州立大学布法罗分校教授甘巧强研制成功一种吸光性微芯片组件,有望在太阳能电池、消费性电子产品乃至隐形技术的性能方面带来巨大回报。

据美国趣味科学网站4月26日报道,虽然宽度还不及人的一根头发丝,但一种吸光性微芯片组件有望在太阳能电池、消费性电子产品乃至隐形技术的性能方面带来巨大回报。纳米级波导锥形阵列可降低各种不同波长的光的运行速度。这项成就非同小可,特别鉴于光速高达每秒30万公里,此前所作的尝试只能降低波长范围极为有限的光的运行速度。

这种锥形阵列是纽约州立大学布法罗分校教授甘巧强经过五年的理论研究和实验研制成功的。他精心制作出一种由多层金属、半导体和绝缘材料组成的超薄膜。通过给各层蚀刻特定模板并调整厚度,这种阵列可吸收“五颜六色的”波长的光。这项技术可提高能量吸收率,可在很多领域应用。
在太阳能领域,这种阵列可让光电池储存太阳光谱中的所有波长。目前的电池主要用半导体材料制成,只能吸收特定波段的太阳光谱。在全光谱范围内调整阵列的能力很有吸引力,这种技术可用于制作热能回收装置。在同可释放热能并发射电磁波的装置整合后,这种阵列就可帮助回收热能并将其转化成电,由此可提高包括消费性电子产品在内的一系列设备的性能。

在光通信方面,这种阵列可消除电路或光通道中多余信号产生的噪音。在军事领域,经整合并入军用运载工具后,这种阵列技术可充当掩护装置,即可让军用运载工具免受雷达、声呐及其他形式的探测。
甘巧强说:“(这项技术)令人吃惊的一个方面是,我们有能力设计可吸收光谱范围极广的装置了。我们可将模型阵列吸收的光调成任何波长——从可见光到微波波段,甚至还可以精细地控制所吸收的光的特性,以模仿天然材料。”



被放在芯片上的纳米材料
                                 资料图:被放在芯片上的纳米材料。


美国科学家称,使用新型纳米材料,将催生一种新型的计算机芯片,将有助于减少未来芯片的制造成本。
科学家戈登·E·摩尔(Gordon E. Moore)曾在1965年时提出,大约每过18个月,硅芯片上蚀刻的晶体管数量就会增加一倍。之后不久,评论家就开始预言“摩尔定律”(Moore’s Law)的时代将接近尾声。

最近,业界专家的警告越发言之凿凿:半导体行业的发展正在走向停滞,英特尔联合创始人摩尔博士的说法将要寿终正寝。

如果真是如此,计算机世界将会受到巨大冲击。给人们带来个人电脑、音乐播放器和智能手机的创新,跟晶体管成本的快速下降之间存在直接关系。指甲大小的密布着数以十亿计晶体管的硅片——计算机芯片——最便宜的每颗只卖几美元。

但是,较为乐观的科学家和工程师说,摩尔定律并没有死,它只不过在进化。他们认为,通过使用一类新型纳米材料,厂商有可能做出接近分子大小的电路。这类纳米材料包括金属、陶瓷、聚合或复合材料,它们可从“自下而上”而不是自上而下地构成。

例如,半导体设计人员正在开发一些化学工艺,以便让这些材料在半导体晶片上形成极薄的电路图案,实现“自组装”(self assemble)电路。科学家们相信,把这些纳米电路图案和传统的芯片制造技术结合起来,会催生一种新型的计算机芯片,不仅让摩尔定律继续有效,而且也会减少未来芯片的制造成本。

“自组装是关键,”加州圣何塞IBM阿尔马登研究中心(Almaden Research Center)的科技主管钱德拉塞卡尔·纳拉扬(Chandrasekhar Narayan)说。“你用自然的力量帮你完成工作。用蛮力行不通了,你必须跟自然合作,让事情自然而然地发生。”

要做到这一点,半导体制造商必须从硅时代朝着或许可以称作“计算材料时代”的方向前进。硅谷的研究人员正在引领这个趋势,他们使用功能强大的新型超级计算机来模拟他们的预测。虽然半导体芯片不再在硅谷制造,但这里开发的新型材料有可能在未来十年里让计算机世界发生翻天地覆的变化。

“材料对人类社会非常重要,”斯坦福大学的物理学家张首晟说。他最近带领一组研究人员设计出了一种锡合金材料,在室温下已经具有近似超导的性质。“所有时代都用材料来命名——石器时代、铁器时代,现在我们则有硅时代。在过去,材料是人们偶然发现的。一旦我们拥有了预测材料的能力,情形就会大不相同。”
计算材料革命很可能会为发展下一代计算机芯片所需的廉价技术指明一条道路。

这就是IBM看好的方向。目前,该公司正在试验一种自动形成超细网状结构的外来聚合物,它可以用来在硅晶片上形成电路图案。

纳拉扬博士对此持谨慎乐观的态度,他说,有了自下而上的自组装技术,厂商很可能就不再需要投资购买新的光刻机了。光刻机使用X射线来蚀刻微小的电路,价格为5亿美元(约合30亿元人民币)。
在谈到用成本更低的方式来制作电路更密集的计算机芯片时,他说,“答案可能是肯定的。”
瑞士科学家1月7日表示,已研制出柔韧性极强的电子芯片,这种芯片能够缠绕在人的头发上。
据法新社1月7日报道,这项技术需要在一个三明治式的聚乙烯层上建立一套电子回路,而聚乙烯
随后,聚乙烯晶片被放入水中,水会溶解两层的聚乙烯层,使得底座脱落,沉入实验室培养皿的底部。
剩下的是一套电子回路,它嵌在一层轻薄、透明的非可溶性聚合物薄膜内。聚合物薄膜被称为聚对二甲苯,厚度仅有1微米(百万分之一米)。
这种电子芯片即便缠绕在一根头发上,也能继续工作,因为它的厚度仅有50微米。相关研究成果已发表在韩国刊物《自然通讯》上。
报道称,这种超柔韧的电子芯片具有广泛的医学用途,目前已在人造眼球试验中进行了测试。
研究小组称,它还可以装入隐形眼镜中,监控青光眼。青光眼患者的眼压通常过高,非常危险。
研究人员表示,这种电子芯片还有其他潜在的用途,比如制造具有柔韧性的太阳能电池,以及可穿戴的生物传感器。

负责此项研究的瑞士苏黎世联邦理工学院教授吉奥范尼·萨尔瓦托雷称,这种电子芯片“可以安装在任何物体表面,以及人体皮肤和树叶等生物学组织上”。
层固定在一个硬质底座上。
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