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模仿人脑,让电脑变得更"聪明"!
来源 : 科学之家   发布时间 : 2015-05-20 14:29

图片说明:神经网络(上层)和计算机栅格(下层)的叠加图。图片来源: Illustration by Peter Allen


加州大学圣塔芭芭拉分校( UC Santa Barbara)的研究人员展示了一个人工神经网络的简单回路,由100个人造神经元(artificial synapses)完成一项简单的图像分类的任务,这标志着人工智能向前迈进的重要一步。

德米特里是该校电子和计算机工程系的教授,他说道:“这是人工智能前进的一小步,却又是非常重要的一步。”随着这项研究的进一步发展,该人工回路将最终扩展到类似人脑(包含约1万亿个神经元)的程度。

对于 Strukov 和其同事等工程师来说,虽然会犯错误,也具有潜在缺陷,但人类大脑仍然是一种高效、强大的计算模型。那是因为大脑完成某项特定功能只需要一瞬间,而电脑却需要更多时间和功耗。

那么,那些特定的功能究竟是什么呢?例如,当你将本文读到这里,你的大脑就会对文字进行快速处理,也会对每个字的形状和位置进行判断分类,甚至会联系上下文 进行不同语意的理解,而这些都是在极短的时间内完成的。当改变字体,甚至字母的方向时,我们甚至依然能够获取到相同的语意。

研究人员的示例中,人工回路能够通过图像,成功地将z、v和n三个字母进行区分,而每个字母都以不同的形式呈现且掺杂着一些干扰因素。这个过程就类似于我们在一大群人中找到我们的朋友,或者是在一大串钥匙中找到正确的钥匙,简单人工神经网络能够正确区分这些简单的图像。

 Merrikh-Bayat说道:“和真实的神经网络相比,人工回路虽然非常小,但它足以证明了这个方法的实用性”。

Gina Adam表示,随着技术的进步,这一研究将不断取得进步。她说道:“随着有关技术难题更多解决方案的提出,这一技术将很快在市场中得以应用。”

图片说明:研究人员展示人工神经元电路板。图片来源:Sonia Fernandez

这项技术的关键在于“存储电阻器”(memristor),它是内存和电阻的组合体,会随着电流的方向而改变电阻值。传统晶体管技术依靠电子的移动和分散;而新技术则是基于离子运动,类似于人的神经细胞产生的神经电信号。

 Strukov说道:“内存状态作为一个缺陷分布进行存储,并可以再存储电阻器中前后移动。”同时,他补充道,离子记忆机制带来了优于电子记忆机制的几大好处,使得人工神经网络的研究得以进步。

“例如,离子分布的不同配置可以得到连续的记忆态,从而模拟记忆功能。同时,离子比电子重,使得记忆体可以进行积极的缩放,无需牺牲模拟性能。”

这是模拟记忆优于电子记忆的杀手锏:为了构建和人脑类似的结构,传统技术需要构建无数的晶体管,这需要大量的能耗。

首席研究员 Prezioso说道:“经典计算机会在其有限的空间内受限于海量晶体管,而我们的存储电阻器则是以生物大脑为基础的另一种机理模式。”

为了能够实现人脑的功能,我们需要构建更多的存储电阻器来建立复杂的神经网络。人类完成一件事时,有时几乎不需要耗费什么精力便可完成,如识别同一事物的不同版本,或者推断一件事情是否基于另一件事情。

这一新技术具有潜在的应用市场前景,如医疗成像、导航系统或者是基于图像的搜索。研究人员正努力创造的低功耗、小巧的电路将会和高性能计算机继续前行,而存储设备也将按照摩尔定律(Moore's Law)继续发展。

 Prezioso说道:“令人兴奋的是,这项技术将会融入到现有常用处理单元,并将推动计算机的高速发展。”

与 此同时,研究人员将会继续改进存储电阻器的性能,限定人工回路的复杂度,并将完善人工神经网络的功能。下一步是将存储电阻器和传统半导体技术结合,使得这 个早期的人工大脑,能够处理更加复杂和微妙的事情。理想情况下,材料学家Hoskins表示,这一大脑将垂直整合上万亿个这种类型的设备。

Hoskins说道:“还有很多潜在的应用,这的确给予我们一种全新的思考方式。”(科学之家,译审:Kong)


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