类脑技术又现新成果认知计算架构图片传统模式

IBM开发的“深蓝”计算机战胜了国际象棋世界冠军卡斯巴罗夫，随后认知计算研究更成为计算机和生物技术领域的研究热点。2012年度“超级计算机大会”于上月在美国犹他州盐湖城举行，IBM发布了其关于认知计算的最新研究成果《Compass：一个认知计算架构的可扩展的模拟器》。

认知计算是指模仿人类大脑的计算系统，让计算机像人一样思考，而不是仅仅是作为一个开发系统。认知计算集成IT和生物技术来重建大脑。科学家们以对大脑更深入的生物层面的解读为基础，建立计算机系统，该系统还能在过去经验的基础之上做出判断。认知计算在21世纪更加得到重视，IBM开发的neurosynaptic(神经突触)计算机芯片为此拉开帷幕，IBM目标是开发出比人脑运行速度更快的电脑。

认知计算非冯·诺依曼架构

人的大脑和现代计算机具有完全不同的架构，它们擅长不一样的应用领域。现代计算机一般使用固定的数字化的程序模型，同步、串行、集中、快速、具有通用性地处理问题，数据存储与计算过程在不同地址空间完成。而与之形成鲜明对比的是，人的大脑会重复利用神经元，并突触、异步、并行、分布式、缓慢、不具通用性地处理问题，是可重构的、专门的、容错的生物基质，并且人脑记忆数据与进行计算的边界是模糊的。因此，现代计算机的架构不能模拟人脑的功能和实时反应毫不稀奇，完成这个任务需要一个新颖的架构。

目前，现代计算机采用CMOS技术建立架构，虽然该技术已足够支撑各种计算功能，但还不能实现低功耗的以人脑方式处理问题的功能。为此，IBM计划研发一种新型、超低功耗、紧凑型、模块化的架构。该架构是由数目庞大的neurosynaptic芯片组成的数字通信网络，每个内核集成计算(神经元)，记忆体(突触)，核心内通信(轴突)，有望打破冯·诺伊曼瓶颈。它的每个芯片是事件驱动(与时间驱动相对应)、可重构、超低功耗。所有芯片并行运作，并且相互之间单向发送信息。芯片就像大脑灰质，芯片之间的联系就像白质。由于芯片数量巨大，新型架构是高度可扩展的，就像大脑皮层一样。

新的计算机体系架构需要在目前CMOS技术限制下实现具有神经科学本质的一种新型架构。这与如今建立在冯·诺依曼架构的基础之上的电脑完全不同，是颠覆性的创造。这将颠覆传统计算模式，用人工大脑的思维来统占和取代信息时代。在2012年超级计算机大会上，IBM公布了它在这方面的最新进展架构模拟器，被称为“TrueNorth”的Compass。该Compass多线程、大规模并行、高度可扩展，在通信、计算和内存方面采用多项创新技术。简单来说，这种芯片技术是模拟一个人脑，并且完成人脑的各种功能。该技术一旦成功，统治计算机结构至今的冯·诺依曼体系将彻底被颠覆。

计算机新架构TrueNorth

基于神经科学、纳米技术、超级计算等理论，IBM开发出一个新型、超低功耗、紧凑、模块化的非冯·诺依曼认知计算架构TrueNorth。TrueNorth是一个可扩展的neurosynaptic计算机体系结构，该架构能够实现类人脑功能，即低功耗、低容量地模拟人脑实时反应。neurosynaptic是一种具有革命性的新一代计算机芯片。与现有芯片不同，neurosynaptic通过先进算法和硅电路，模拟发生于大脑等生物系统中神经细胞和突触之间的现象，进行认知并积累学习。

TrueNorth是模仿人脑的组织和功能而设计的，用CMOS电路器件组成生物学中的神经元的轴突(水平线)，树突(垂直线)和突触。TrueNorth的关键模块核心是neurosynaptic，如图中所示，它通过通信网络连接到系统中的其他TrueNorth核心。

IBM完成的首个TrueNorth计算单元，由256个神经元，256×256个突触和256个轴突构成。神经元代表计算，突触表示内存，神经元轴突连接代表沟通。这种新的计算单位或核心与大脑类似，仿生芯片有“神经元”，或者说是数字信息处理器;“突触”是学习和记忆的基础;“轴突”即数据通路可以连接计算机各组织。每个TrueNorth核心使得系统内计算和内存功能很相近，打破了冯·诺伊曼瓶颈。通信网络仅由事件驱动，并不需要时钟。也就是说它已经拥有了处理器、内存和通信的基本架构。由于它们模仿大脑的“结构和突触可塑性”，因而处理过程是分布式和平行式的，而非集中和串行式的。

为使TrueNorth能够运行，IBM设计了一个多线程的大规模并行模拟器Compass，它与TrueNorth的功能原理是相同的。由于Compass在通信、计算和内存的创新，它展示出前所未有的计算规模和计算速度，它的神经元数量可与人类大脑皮层的神经元数量相媲美，它的突触数目可与猴子大脑皮层的突触数目相媲美。IBM的最终目标是从架构、算法到应用全面实现类脑功能，而Compass是其迈出的至关重要的一步。

TrueNorth和Compass展示了大规模的并行分布式计算架构，是现代冯·诺依曼架构的补充。为了充分利用这一架构的特点，开发者需要摒弃以往较长的串行程序，而使用较短的并行程序。因此IBM的下一个目标是开发一种新的并行编程语言，从而给算法设计人员提供一个有效的工具，使新的计算架构可以最大程度地发挥自己的设计功能。TrueNorth是在现代CMOS技术限制下开发出的实现类脑功能的架构，但它无疑是一个创举，激发了我们对未来的探索热情。

也许有一天，人类可以开发出全新芯片的技术，现在内存处理器的延迟和缓慢的计算速度有望成为历史，崭新的计算时代终会到来!