談談人工智慧發展現狀：IBM開始從硬體模擬人類大腦

文/科技新知（微信公眾號：kejixinzhi）

可能很少有人感知到，環繞日常生活的許多我們司空見慣的現象背後，都極其艱深複雜。

你可以輕鬆分辨只有一字不同表意卻南轅北轍的兩句話：「冬天：能穿多少穿多少；夏天：能穿多少穿多少」。可以在凌亂背景流動的人群中迅速發現熟識的朋友。乃至理解某個概念、想像某個情景、學習一門外語。這些對於我們再平常不過的事情，如果機器能隨便做到這些其中的一項，將顛覆不知道多少行業。

非常沮喪，人工智慧幾十年都沒有獲得實質性進展。之前的研究方向都是研究大腦結構，將其處理信息的過程抽象成軟體演算法，然後利用計算機去模擬實現。

早期的以統計學為指導進行的演算法選擇適配長期徘徊不前，現在，人們更深入了解到大腦的工作方式：輸入信息是在不同的功能區域、不同層級的神經迴路上高度並行處理。深度學習就接過統計學演算法適配的標杆，成為當下的熱門。不過，深度學習，只是在處理信息的「軟體」層面稍稍接近了人腦的真實運行模式，硬體層面，還是並行幾百上千台計算機的超級計算機伺服器集群去模擬和實現人腦的某些能力，還是以二進位加法為基礎的邏輯門電路的延伸和堆徹。

人們認為，在漸漸了解了人腦的「軟體演算法」即運作方式的情況下，人工智慧用電腦去模擬就OK了。人工智慧無非是計算能力大小的問題，遲早會隨著摩爾定律預測的硬體發展實現突破。但是，諷刺的是，現實即使我們消耗了天文數字般的巨量能源，將全世界所有的超級計算機的集合起來，當識別凌亂背景人群中的某張特定人臉時，其速度還不如人眼（配合大腦）的十分之一，更何況後者僅僅是佔用顱骨大小內狹窄空間的一個1.5kg的物體，執行「認人」任務時，消耗的能量幾乎可以忽略不計。

同樣是輸入信息——處理信息——輸出結果，為什麼人腦會如此高效呢？

其實人腦可以抽象成一台計輸入視覺、味覺、聽覺、觸覺、嗅覺五種信號的計算機，它與我們使用的計算機最大差別，一是處理信息的模型不同，二是實現這種信息處理模型的基礎架構——即硬體的不同。

不說的太複雜，一個非常明顯的區別就是，現代計算機的馮諾依曼結構，內存——匯流排——CPU，一條完整的信息處理流水線，只能一條條輸入信息、處理、再輸出結果，空閑狀態下還不能斷電。

大腦則擁有一千億個神經元，一個神經元相當於一個CPU處理單元，而每個神經元都通過成千上萬個突觸與其他神經元相連，形成超級龐大的神經元迴路，以分散式和並髮式的方式傳導信號，相當於超大規模的並行計算。而且人腦部分神經元不使用時可以關閉，從而使得整體能耗很低。

除了對大腦的具體運作方式，即處理信息的模型還不甚了解，人工智慧目前最大的問題，還是硬體實現的巨大差異。不過，IBM最近推出了TrueNorth——類似擁有百萬神經元的電腦晶元，開始嘗試在硬體層面實現人工智慧。

TrueNorth徹底脫離了傳統馮諾依曼的結構。數字處理器當作神經元，把內存作為突觸，TrueNorth的內存、CPU 和通信部件是完全集成在一起。信息的處理完全在本地進行，而且由於本地處理的數據量並不大，傳統計算機內存與 CPU 之間的瓶頸不復存在了。

TrueNorth是一個長期宏大項目的階段性成果。2011年的時候，IBM 首先推出了單核含 256 個神經元，256×256 個突觸和 256 個軸突的晶元原型。當時的原型已經可以處理像玩 Pong 遊戲這樣複雜的任務。不過相對來說還是比較簡單，從規模上來說，這樣的單核腦容量僅相當於蟲腦的水平。不過，經過 3 年的努力，IBM 終於在複雜性和使用性方面取得了突破。TrueNorth擁有4096 個內核，100萬個「神經元」、2.56 億個「突觸」集成在直徑只有幾厘米的方寸（是 2011 年原型大小的 1/16）之間，而且能耗只有不到 70 毫瓦。

這樣的晶元能夠做什麼事情呢？IBM 研究小組曾經利用做過 DARPA 的NeoVision2 Tower數據集做過演示。它能夠實時識別出用 30 幀每秒的正常速度拍攝自斯坦福大學胡佛塔的十字路口視頻中的人、自行車、公交車、卡車等，準確率達到了 80%。相比之下，一台筆記本編程完成同樣的任務用時要慢 100 倍，能耗卻是 IBM 晶元的 1 萬倍。

人工智慧現階段對大腦的一點粗淺模擬，語音識別、視覺識別、深度學習，實現這些功能的軟體演算法，如果能夠順利找到與TrueNorth嫁接融合的途徑——即在新的硬體體系上運行，可以預見，人工智慧從量變到質變的積累跨越將大大提速。

TrueNorth誕生的意義，最接近的例子就是幾十年前晶體管的發明：晶體管是實現邏輯門二進位演算法的最基本最核心的硬體單元，TrueNorth同樣可能就是實現神經元信息處理的最基本最核心的硬體單元。我們都知道晶體管誕生催生出的IT產業，有多麼深刻地重塑了傳統產業，改造了整個世界。TrueNorth的發明呢？我們極有可能身處一個偉大時代的開端。

我們每個人身上都擁有的整個宇宙最不可思議的造化，即一千億神經元組成的神經網路。發展人工智慧的道路上，當機器也擁有這樣獨立存在的神經網路的時候，會發生什麼，實在難以想像...

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