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來源：中國計算機報

    IBM開發的“深藍”計算機戰勝了國際象棋世界冠軍卡斯巴羅夫，隨后認知計算研究更成為計算機和生物技術領域的研究熱點。2012年度“超級計算機大會”于上月在美國猶他州鹽湖城舉行，IBM發布了其關于認知計算的最新研究成果——《Compass：一個認知計算架構的可擴展的模擬器》。

    認知計算是指模仿人類大腦的計算系統，讓計算機像人一樣思考，而不是僅僅是作為一個開發系統。認知計算集成IT和生物技術來重建大腦。科學家們以對大腦更深入的生物層面的解讀為基礎，建立計算機系統，該系統還能在過去經驗的基礎之上做出判斷。認知計算在21世紀更加得到重視，IBM開發的neurosynaptic(神經突觸)計算機芯片為此拉開帷幕，IBM目標是開發出比人腦運行速度更快的電腦。

                    

    認知計算非馮·諾依曼架構

    人的大腦和現代計算機具有完全不同的架構，它們擅長不一樣的應用領域。現代計算機一般使用固定的數字化的程序模型，同步、串行、集中、快速、具有通用性地處理問題，數據存儲與計算過程在不同地址空間完成。而與之形成鮮明對比的是，人的大腦會重復利用神經元，并突觸、異步、并行、分布式、緩慢、不具通用性地處理問題，是可重構的、專門的、容錯的生物基質，并且人腦記憶數據與進行計算的邊界是模糊的。因此，現代計算機的架構不能模擬人腦的功能和實時反應毫不稀奇，完成這個任務需要一個新穎的架構。

    目前，現代計算機采用CMOS技術建立架構，雖然該技術已足夠支撐各種計算功能，但還不能實現低功耗的以人腦方式處理問題的功能。為此，IBM計劃研發一種新型、超低功耗、緊湊型、模塊化的架構。該架構是由數目龐大的neurosynaptic芯片組成的數字通信網絡，每個內核集成計算(神經元)，記憶體(突觸)，核心內通信(軸突)，有望打破馮·諾伊曼瓶頸。它的每個芯片是事件驅動(與時間驅動相對應)、可重構、超低功耗。所有芯片并行運作，并且相互之間單向發送信息。芯片就像大腦灰質，芯片之間的聯系就像白質。由于芯片數量巨大，新型架構是高度可擴展的，就像大腦皮層一樣。

    新的計算機體系架構需要在目前CMOS技術限制下實現具有神經科學本質的一種新型架構。這與如今建立在馮·諾依曼架構的基礎之上的電腦完全不同，是顛覆性的創造。這將顛覆傳統計算模式，用人工大腦的思維來統占和取代信息時代。在2012年超級計算機大會上，IBM公布了它在這方面的最新進展——架構模擬器，被稱為“TrueNorth”的Compass。該Compass多線程、大規模并行、高度可擴展，在通信、計算和內存方面采用多項創新技術。簡單來說，這種芯片技術是模擬一個人腦，并且完成人腦的各種功能。該技術一旦成功，統治計算機結構至今的馮·諾依曼體系將徹底被顛覆。

    計算機新架構TrueNorth

    基于神經科學、納米技術、超級計算等理論，IBM開發出一個新型、超低功耗、緊湊、模塊化的非馮·諾依曼認知計算架構——TrueNorth。TrueNorth是一個可擴展的neurosynaptic計算機體系結構，該架構能夠實現類人腦功能，即低功耗、低容量地模擬人腦實時反應。neurosynaptic是一種具有革命性的新一代計算機芯片。與現有芯片不同，neurosynaptic通過先進算法和硅電路，模擬發生于大腦等生物系統中神經細胞和突觸之間的現象，進行認知并積累學習。

    TrueNorth是模仿人腦的組織和功能而設計的，用CMOS電路器件組成生物學中的神經元的軸突(水平線)，樹突(垂直線)和突觸。TrueNorth的關鍵模塊核心是neurosynaptic，如圖中所示，它通過通信網絡連接到系統中的其他TrueNorth核心。

    IBM完成的首個TrueNorth計算單元，由256個神經元，256×256個突觸和256個軸突構成。神經元代表計算，突觸表示內存，神經元軸突連接代表溝通。這種新的計算單位或核心與大腦類似，仿生芯片有“神經元”，或者說是數字信息處理器;“突觸”是學習和記憶的基礎;“軸突”即數據通路可以連接計算機各組織。每個TrueNorth核心使得系統內計算和內存功能很相近，打破了馮·諾伊曼瓶頸。通信網絡僅由事件驅動，并不需要時鐘。也就是說它已經擁有了處理器、內存和通信的基本架構。由于它們模仿大腦的“結構和突觸可塑性”，因而處理過程是分布式和平行式的，而非集中和串行式的。

    為使TrueNorth能夠運行，IBM設計了一個多線程的大規模并行模擬器——Compass，它與TrueNorth的功能原理是相同的。由于Compass在通信、計算和內存的創新，它展示出前所未有的計算規模和計算速度，它的神經元數量可與人類大腦皮層的神經元數量相媲美，它的突觸數目可與猴子大腦皮層的突觸數目相媲美。IBM的最終目標是從架構、算法到應用全面實現類腦功能，而Compass是其邁出的至關重要的一步。

    TrueNorth和Compass展示了大規模的并行分布式計算架構，是現代馮·諾依曼架構的補充。為了充分利用這一架構的特點，開發者需要摒棄以往較長的串行程序，而使用較短的并行程序。因此IBM的下一個目標是開發一種新的并行編程語言，從而給算法設計人員提供一個有效的工具，使新的計算架構可以最大程度地發揮自己的設計功能。TrueNorth是在現代CMOS技術限制下開發出的實現類腦功能的架構，但它無疑是一個創舉，激發了我們對未來的探索熱情。

    也許有一天，人類可以開發出全新芯片的技術，現在內存處理器的延遲和緩慢的計算速度有望成為歷史，嶄新的計算時代終會到來!