Spaun:最逼真的人工大脑

引用:http://www.guokr.com/article/403444/

 

nengo神经:http://www.nengo.ca/

Spaun大脑地址:http://models.nengo.ca/spaun

最近,加拿大滑铁卢大学的几位神经科学家和软件工程师说,他们已经构建出了目前世界上最大、最逼真的人类大脑模拟系统。这只“大脑”不仅有获取视觉信号的电子眼和可以作出相应反应的机械臂,它还能通过基础的智商测验。

这只叫做Spaun(Semantic Pointer Architecture Unified Network,语义指针架构统一网络)的“大脑”拥有250万只虚拟神经元,可以执行8项不同的任务。这些任务涵盖的范围从复制绘画、计数,到回答问题和作出流畅的推理。现在,请先观看下面的这段视频来大概了解一下Spaun是怎么工作的,而下面的文章会告诉你为什么Spaun如此值得关注。

首先,我们来了解一下关于这只“大脑”的具体细节。Spaun拥有一只28*28分辨率(784像素)的电子眼,还有一条可以在纸上写画的机械臂。Spaun和外部世界的互动都是通过它的电子眼完成的。科学家们首先向它出示一串数字和字母,Spaun读取这些字符后,将它们储存在存储器里。随后,科学家向Spaun出示另一个字母或符号来告诉它该如何处理内存中的信息。最后,Spaun会使用它的机械臂来完成相应的动作。

Spaun是完全模拟大脑的架构构建而成的

Spaun是完全模拟大脑的架构构建而成的

Spaun的“大脑”用250万只神经元组成。这些神经元被分割成大脑中的不同系统,如上图所示,其中包括前额皮质(VLPFC、DLPFC、OFC部分)、基底核(basal ganglia)和丘脑(thalamus)。这些系统严格按照真正大脑中的结构构建而成。科学家们想让这些系统像真正的大脑一样运作:丘脑负责处理视觉信号,随后将数据储存在神经元中;紧接着,基底核会发出一项指令来调用皮质中的某一区域来完成某一项特定的任务。

所有的运算都是严格按照生理学原理进行的,其中既有脉冲电压,也有神经递质。就连人类大脑的局限性都被准确的模拟了出来,比如在下面的这段视频中,Spaun正在拼命地将几个数字保存在它的短期记忆中。

 

这些设计最终达到的成果是一只不算太复杂(250万个神经元并不是什么大数字,我们之前介绍的 IBM“Compass”人脑模拟计划 已经模拟出了5300亿个神经元)但却十分灵活的“大脑”。通过执行几个非常基本的任务,我们可以了解更复杂的行为是怎么形成的。它向我们展示了大脑是如何演化的:先是从最简单的任务开始,然后在这基础上将简单任务组合在一起来形成更复杂的功能。

在下面的这段视频中,Spaun识别出了一串数列中的规律,而这样的问题通常会出现在智商测试中。

将来,这支研究团队准备赋予Spaun更强的可塑性。一旦拥有了这样的能力,Spaun就可以通过执行任务来重构它的神经元,并学习事先编写好的程序中所没有的新能力。关于他的终极目标,Eliasmith表示他对Spaun的前景感到非常兴奋。他在PopSci的一篇采访中说:“Spaun可以帮助我们了解大脑的生物基质和它的行为是怎样联系起来的。这对许多医学应用都至关重要。”在测试中,他曾经“杀死”一些人造神经元来观察整个模拟大脑的能力是如何降低的。这样的实验为进一步了解大脑的自然老化和退化性神经失调提供了新的线索。

Spaun是在一套用来构建虚拟神经系统的开源图形软件包Nengo上打造而成的。如果你想自己模拟出一只大脑,你可以戳 这里 下载Spaun的神经模型,不过,你家电脑的处理能力可能不太够,想要让这个模型完整运行,你的电脑至少得有24GB的内存,如果用一颗主频2.5GHz的四核处理器运行这个模型,你大概需要3小时才能模拟出Spaun 1秒的运行情况。

 

IBM发明世界首个人造神经元,AI的硬件基石已完成

IBM发明世界首个人造神经元,AI的硬件基石已完成

图片来源:IBM

编者按: 从AlphaGo击败李世石,宣布超级计算机攻克了围棋这一穷举法不可能征服的领域后,人工智能(AI)又成了所有人最热门的话题之一。

对于不少该领域的科学家而言,人工智能的终极目标之一就是用机器实现人脑的全部功能,而作为人脑的最小细胞单位——神经元,可能会是一个最好的入手点。

美国当地时间8月3日,IBM官方宣布了他们的最新成果—— 首个人造神经元,可用于制造高密度、低功耗的认知学习芯片。

IBM苏黎世研究中心制成了世界上第一个人造纳米尺度随机相变神经元。IBM已经构建了由500个该神经元组成的阵列,并让该阵列 模拟人类大脑的工作方式进行信号处理。

该技术突破具有重要意义,因为相变神经元具有传统材料制成的神经元无法匹敌的特性——其尺寸能小到纳米量级。此外,它的 信号传输速度很快,功耗很低 。更重要的是, 相变神经元是随机的 ,这意味着在相同的输入信号下,多个相变神经元的输出会有轻微的不同, 而这正是生物神经元的特性。

IBM发明世界首个人造神经元,AI的硬件基石已完成

人造神经元论文的第一作者:托马斯·图玛(Tomas Tuma)

IBM相变神经元由输入端(类似生物神经元的树突)、神经薄膜(类似生物神经元的双分子层)、信号发生器(类似生物神经元的神经细胞主体)和输出端(类似生物神经元的轴突)组成。信号发生器和输入端之间还有反馈回路以增强某些类型的输入信号。

IBM发明世界首个人造神经元,AI的硬件基石已完成

人造神经元研发团队,图片来源:IBM

神经薄膜是整个神经元的关键。在生物神经细胞中,起神经薄膜作用的是一层液态薄膜,它的物理机理类似于电阻和电容:它阻止电流直接通过,但同时又在吸收能量。当能量吸收到一定程度,它就向外发射自己产生的信号。这信号沿着轴突传导,被其他神经元接收。然后再重复这一过程。

在IBM制造的神经元中,液态薄膜被一小片神经薄膜取代。神经薄膜是由 锗锑碲复合材料 (也称GST材料)制成的,该材料也是可重写蓝光光盘的主要功能材料。锗锑碲复合材料是一种相变材料,即它可以以两种状态存在: 晶体态和无定形态 。通过激光或电流提供能量,两种状态之间可以互相转变。在不同状态下,相变材料的物理特性截然不同: 锗锑碲复合材料在无定形态下不导电,而在晶体态下导电。

在人工神经元中,锗锑碲薄膜起初是无定形态的。随着信号的到达,薄膜逐渐变成结晶态,即逐渐变得导电。最终,电流通过薄膜,制造一个信号,并通过该神经元的输出端发射出去。在一定的时间后,锗锑碲薄膜恢复为无定形态。这个过程周而复始。

IBM发明世界首个人造神经元,AI的硬件基石已完成

生物神经元与人造神经元对比图,图片来源:IBM

由于生物体内各种噪声的存在,生物神经元是随机的(Stochastic)。IBM研究人员表示,人工神经元同样表现出了随机特性,因为神经元的薄膜在每次复位后,其状态有轻微的不同,因此随后的晶态化过程略有不同。因此,科学家无法确切地知道每次人工神经元会发射什么信号。

那么人工神经元到底有何意义?

首先,人工神经元采用了成熟的材料,历经几十亿次工作而不损坏(寿命长),体积极小( 有报道说是90纳米,但从下图中看应该在300纳米左右,而论文中表示未来有望达到14纳米 )。因此,这是一种性能非常棒的器件。

IBM发明世界首个人造神经元,AI的硬件基石已完成

人工神经元网络。图中的银色方块是放大后的相变神经元,该神经元网络还没有配备工业标准的输入输出接口。图片来源:IBM

其次, 人工神经元跟生物神经元的工作方式非常类似 。当大批人工神经元组成并行计算机后,它也许可以和人类一样进行决策和处理感官信息。IBM表示,他们的人工神经元技术和目前发展中的另外一种人工神经元器件——忆阻器互为补充。

目前,IBM制造了10乘10的神经元阵列,将5个小阵列组合成一个500神经元的大阵列,该阵列可以用类似人类大脑的工作方式进行信号处理。事实上,人工神经元已经表现出和人类神经元一样的“集体编码”特性。此外,它的信号处理能力已经超过了 奈奎斯特-香农采样定理规定的极限。

编者注:集体编码:每个神经元有2种状态,可以表示1比特信息,那么N个神经元就可以表示2N比特信息。神经元数量足够多时,能表示的信息量将极其惊人。

IBM研究人员计划构建包含几千个相变神经元的单一芯片,并编写能充分利用相变神经元芯片随机特性的软件。