世界上最大的神經(jīng)形態(tài)超級計算機SpiNNaker日前首次啟用，它擁有100萬個處理器內(nèi)核，每秒可執(zhí)行200萬億次操作，作為歐洲人腦計劃類腦計算的一個平臺，能夠達到人腦百分之一的比例，是第一個低功耗、大規(guī)模人腦數(shù)字模型，重新定義了傳統(tǒng)計算機的工作方式。后附該項目詳細介紹。

大腦是身體中最復雜的器官，也是最難解開的器官。科學家已經(jīng)開發(fā)出多種方法來更好地了解大腦，包括使用超級計算機。

世界上最大的神經(jīng)形態(tài)超級計算機Spiking Neural Network Architecture（SpiNNaker）日前首次啟用，它擁有100萬個處理器內(nèi)核，每秒可執(zhí)行200萬億次操作。

SpiNNaker已有20年的歷史，由曼徹斯特大學計算機科學學院設計和建造，這期間花費了1500萬英鎊（近1.3億人民幣）的經(jīng)費。該項目最初得到了工程和物理科學研究委員會（EPSRC）的支持，但最近由歐洲人腦項目資助。

曼徹斯特大學機房

SpiNNaker并不是第一款采用100萬處理器內(nèi)核的超級計算機，但它仍然非常獨特，因為它的設計模仿了人類的大腦。大多數(shù)計算機通過標準網(wǎng)絡將信息從一個點發(fā)送到另一個點。SpiNNaker將少量信息發(fā)送到數(shù)千個點，類似于神經(jīng)元如何通過大腦傳遞化學物質(zhì)和電子信號。

計算機工程教授SteveFurber博士評論道，“SpiNNaker完全重新定義了傳統(tǒng)計算機的工作方式。我們基本上創(chuàng)造了一種機器，它的工作方式更像是大腦，而不是傳統(tǒng)的計算機，這非常顯得別具一格的厲害。”

SpiNNaker背后的團隊希望，這臺機器能夠幫助他們“通過運行前所未有的大規(guī)模模擬，從而解鎖人類大腦如何運作的秘密”。SpiNNaker開發(fā)人員計劃創(chuàng)建一個可以模擬10億個生物神經(jīng)元的超級計算機。人腦含有近1000億個通過1000萬億個突觸連接的神經(jīng)元。SpiNNaker讓我們更接近于更好地理解人類大腦。

美國能源部的橡樹嶺國家實驗室（ORNL）超級計算機“Summit”

超級計算機最初是在20世紀60年代推出的，但在過去十年中變得越來越流行和強大。美國能源部的橡樹嶺國家實驗室（ORNL）超級計算機“Summit”最近獲得了世界上最快的超級計算機的榮譽。美國能源部計劃利用Summit進行能源，先進材料和人工智能研究，并更多地了解癌癥和老年癡呆癥等疾病。根據(jù)英偉達CEO黃仁勛的說法，SpiNNaker、Summit和其他超級計算機是其中的一部分。

“人類所有知識的競賽——一場了解一切的競賽。”

曼徹斯特大學教授、英國皇家學會會員、參與設計了 ARM 芯片的Steve Furber，準備用 100 萬個 ARM 微處理器創(chuàng)造一個大腦的電子模型。2016年8月，歐洲自然科學基金（EPSRC）最新一期 Pioneer 雜志，用封面文章對 Furber 和他的宏大計劃做了介紹，下面是新智元此前報道的《歐洲人腦計劃 SpiNNaker：用 100 萬 ARM 芯片制造人類大腦》。

（文／Mark Mallett）1981 年，才從劍橋大學博士畢業(yè)的 Steve Furber 出任負責人，帶領團隊為艾康電腦（Acorn）旗下的 BBC Micro 計算機設計硬件。Furber 后來與人聯(lián)合開發(fā)了 Acorn RISC Machine （ARM）32 比特微處理器，也是過去半個世紀英國最重要的一項發(fā)明。1987 年，ARM 上市銷售，迄今銷量已逾百億臺。

ARM 處理器的重要特性在于將高性能與非常低的能耗結合在一起，延長電池使用壽命，非常適用于智能手機、平板電腦等移動設備。據(jù)估計，如今有大約 750 億臺安裝有 ARM 微處理器的設備，全部聯(lián)網(wǎng)設備中的 75% 都由 ARM 驅動。

1990 年，Steve Furber 離開艾康，在曼徹斯特大學任教，如今他已是計算機工程 ICL 教授，計算機科學博士培養(yǎng) EPSRC 中心負責人。自上世紀 90 年代起，他一共接受了 30 多項英國自然科學基金（EPSRC），總額超過 2000 萬英鎊。

在 Furber 離開艾康電腦幾個月后，公司的研發(fā)部門成立了 ARM 有限公司，如今世界領先的半導體 IP 公司。

計算機硬件設計的天才

故事始于 1977 年，Stever Furber 那時還在寫他航天動力學博士論文。Furber 利用空余時間，建造并且編程了一臺計算機，希望用這臺計算機寫論文。Furber 用他所謂的全新技術建造了這臺機器，關鍵是使用了從美國購買并且空運回來的微處理器。微處理器是如今計算機的核心，然而在 1977 年還處于嬰兒期，一些技術愛好者仍然喜歡用邏輯門而不是微處理器。

Furber 的愛好讓他結識了艾康電腦的創(chuàng)始人 Chris Curry 和 Hermann Hauser。后來，F(xiàn)urber 開始為艾康打零工。在 Furber 劍橋博士研究生涯的最后，艾康談下了制造 BBC Micro 的單子，作為計算機認知項目（Computer Literacy Project）的一部分。Furber 在這個項目上與 Sophie Wilso 合作，后者是軟件工程天才，也是計算機語言 BBC BASIC 的發(fā)明人。

受美國微處理器革命的影響，并去到美國進行實地考察后，F(xiàn)urber 和 Wilson 決定自己設計處理器，那時他們已經(jīng)是艾康的全職員工。他們的任務是為一臺“經(jīng)濟型”桌面計算機設計處理器。

Hermann 對成功非常有信心。他指出當時艾康的兩大競爭對手——英特爾和摩托羅拉，稱后者既沒有錢也沒有人。事實也確實差不多如此。Furber 表示，當時他們確實沒有多少選擇，處理器必須很便宜，因此他們選擇使用塑料，此外，他們還必須確保處理器能耗不高，這樣運行時溫度才不會過高，整體不會出現(xiàn)問題。

1985 年 4 月 26 日，他們首次激活了原型機，但供電卻出了問題。“我們原本打算將它用于臺式計算機，”Furber 說：“結果卻發(fā)現(xiàn)處理器適用于移動設備。”當初低能耗并不在原定目標內(nèi)，出現(xiàn)這樣的結果，是因為結構簡單。

1987 年這款臺式機銷售，市場表現(xiàn)令人失望。后來，蘋果公司將這款處理器用在了 Newton PDA 上面。盡管問世時間不長，但 Newton 的影響還是很大。后來，在上世紀 90 年代中期，諾基亞選擇使用 ARM 處理器作為移動手機的芯片。剩下的故事大家都已經(jīng)知道了。

ARM 的成功關鍵在于商業(yè)模式高度集中，而且自公司成立之后變沒有改動過。ARM 設計芯片，但同時也允許其他公司生產(chǎn)處理器，因此能夠確保預算流程中分配并指定至資源或部門的間接費用和未償清債務相對較低。

Furber 說：“在英國有一種普遍的看法認為，英國人做研究，然后美國人進行探索并賺錢。我認為 ARM 是這個的最佳反例，我們把美國的研究拿過來做成了商業(yè)上的成功。”

2016 年 7 月，ARM 董事會決定以 243 億美元的價格出售給日本軟銀公司。ARM 方面表示，這筆交易將會使合并后的集團“充分發(fā)掘物聯(lián)網(wǎng)機遇”。

但一個 30 年前設計的芯片能在 21 世紀深入人類大腦的領先研究中做什么呢？

用一個詞說，答案就是“能量”。

開始新的突破

如今，世界越來越依賴計算機強大的處理器。Furber 的研究也處在幾項國際研究的前沿，其中包括歐洲自然科學基金資助下的幾項大的挑戰(zhàn)。

如今，我們已經(jīng)在筆記本、智能手機和平板電腦中，使用雙核、四核乃至八核處理器，但“嵌入式”多核技術的潛力是隨著核數(shù)量的增多而增大的；不斷增加核的數(shù)量，也會帶來超級強大的可移動設備和智能技術，從預測交通信號燈到智能 MRI 掃描儀再到無人駕駛汽車和“聰明的”家用機器人。

Furber 說：“新一代的嵌入式系統(tǒng)將改變我們工作、商業(yè)、購物、旅行以及進行各種各樣事情的方式，而低能耗和穩(wěn)定性將是其中的關鍵。”

“最終，這些系統(tǒng)將塑造一個全新的數(shù)字時代。”

現(xiàn)在，F(xiàn)urber 和他的團隊正在致力于研究并行計算系統(tǒng)，也就是將一大批處理器在同一時間進行計算。

然而，并行的處理器數(shù)量越多，挑戰(zhàn)也就越大，穩(wěn)定性和可持續(xù)性就成了關鍵，比如軟件持續(xù)流暢運行的時間，以及硬件使用壽命等等。

近來，歐洲自然科學基金資助項目專注于一系列問題，研究人員討論的話題從開發(fā)口袋大小的超級計算機，到連接有機物與電子元件的“智能”假肢。其中，最為宏偉的項目還是制作一個電子大腦。

這個電子大腦由人腦結構啟發(fā)而來，Steve Furber 和他的團隊正在嘗試一項大膽的研究計劃。被稱為 SpiNNaker（Spiking Neural Network Architecture），這個系統(tǒng)與今天所有的計算系統(tǒng)都大為迥異。

SpiNNaker 主要由歐洲自然科學基金資助，其基礎是由 100 萬個 ARM 處理器并行組成的計算平臺，模仿人腦神經(jīng)元實時發(fā)送信號的方式。

現(xiàn)在，SpiNNaker 能夠建模達到人腦百分之一的比例，是人腦的第一個低功耗、大規(guī)模數(shù)字模型。有了它，研究人員將能夠精確地模擬腦區(qū)，并且測試有關大腦工作的假說。

SpiNNaker 是斥資 10 億歐元打造的歐洲人腦計劃的一部分。歐洲人腦計劃聯(lián)合了 100 多所高校、企業(yè)研究院和其他科研機構，覆蓋從神經(jīng)科學、計算科學和腦科學相關醫(yī)藥領域，一起通力打造信息和通信技術為基礎的研究基礎設施。

團隊希望從 SpiNNaker 獲得的洞見能夠幫助他們開發(fā)強有力的工具，應對抑郁癥、阿爾茨海默氏癥等腦相關的疾病。此外，他們還希望相關信息能夠幫助他們創(chuàng)建一個超快且低能耗的下一代芯片。

能量是關鍵

能量在這里又一次成了關鍵，也是 Furber 和他的團隊想要揭開大腦秘密的關鍵之一。為何大腦能夠利用如此少的能量，進行如此強大的計算？

“人腦大約以 20~25 瓦的能量運行，和節(jié)能燈一樣。”Furber 說，現(xiàn)在的技術完全無法達到這一點。“對于一個與大腦等比例的計算模型，消耗的能量大概在幾十兆瓦。”

“在可以預見的未來，你根本無法把這樣一個系統(tǒng)安裝到可以移動、說話的機器人里面——你得在里面修一座核電站才能讓計算機運行。”

“在開發(fā)原始 ARM 芯片和 SpiNNaker 的過程中有很多可以類比的地方，兩者都消耗不到一瓦特的電量，兩者都裝在塑料外包裝里。兩者的設計都由簡單這一條基準線主導，雖然在規(guī)模上不可同日而語。”

讓我們用 ARM 有限公司的 CEO Mike Muller 的話做結束語，他說：“Steve 是 ARM 家庭的一員，這個項目是與他和曼徹斯特大學合作絕好的方式，也是 ARM 促進英國科研世界領先的絕好手段。”