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2014年十大具有颠覆性的新兴技术（二）

刘霞综合外电 //m.auribault.com 2014-06-24 来源：科技日报

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　　高通公司的资深工程师常一宇（音译）朝着应该放玩具的地方挥动双手。先锋用它的摄像头捕获到了这个手势，然后照做了。随后，先锋回到刚才的位置，拿起另一个电影人物-蜘蛛侠玩具。这一次，先锋直接朝玩具走去，全然不顾放在旁边的国际象棋，在无人指导的情况下，把玩具放到了玩具箱里。

　　在高通公司位于圣地亚哥总部的这场展示看起来可能平淡无奇，但我们却能从中管窥到未来的计算模式。先锋机器人正在执行的任务以前一般需要功能强大、编写有专门程序且耗电量惊人的计算机来执行，但现在，只需要一片配备有特定软件的智能手机芯片，先锋机器人就能识别出以前没有见过的物体，通过这些物体与相关物体之间的相似程度，筛选出物体并在房间内准确定位，将物体放置到正确的位置，整个过程并不需要繁琐的编程工作，只需要向机器人展示物体应放置何处即可。这种机器人之所以能做到这一点是因为，它正在模拟（尽管采用一种非常受限的方式）人脑的工作原理。

　　在今年晚些时间，高通公司打算将这一技术整合进日常电子设备的芯片中。这些“神经形态（之所以这么命名，是因为它们模拟了大脑）”芯片能处理图像和声音等传感数据并能根据数据的变化做出反应，整个过程事先并不需要编写特定的程序。高通表示，这种芯片有望推动已有数十年发展历程的人工智能领域大踏步前进，让科学家研制出能像人一样理解周围的世界并与之互动的机器人。

　　不过，这些芯片最早要等到2015年才能上市，今年，高通将把重点放在对芯片进行测试之上，但只要高通一出货，“零程序”项目将成为首个大规模的神经形态计算商用平台。

　　目前，有很多大学和IBM以及HRL等多家实验室都在争相研制神经形态芯片，高通公司可谓其中的翘楚。IBM和HRL实验室都为美国国防部高级研究计划局（DARPA）研制出了神经形态芯片，这是DARPA投资1亿美元的计划的一部分。无独有偶，欧洲的“人脑项目”也将联合德国海德堡大学和英国曼彻斯特大学，投资1亿欧元研发神经芯片。德国科学家最新报告称，他们利用神经形态芯片和模拟昆虫的气味处理系统的软件，通过闻花香就可以判断植物的种类。

　　科学家们表示，有了这类芯片，医疗传感器和设备可以追踪病人重要的生命信号并对治疗做出反应，比如学会调整药量甚至极早发现病情等。智能手机可以学会预测你打算输入的文本内容，比如为你打算拜访的人设置背景或设置提醒。Google目前正在进行实验的自动驾驶汽车或许不再需要驾驶员的帮助；扫地机器人也不会再卡在沙发下。高通公司的技术总监马修·格劳博说：“我们正在模糊芯片和生物系统之间的界限。”

　　今天的计算机全部使用所谓的“冯·诺依曼架构”，即数据在中央处理器和内存芯片之间来回传输，采用线性序列进行计算。这种方法非常适合处理数字运算、执行经过精确编写的程序，但不适合处理图片、声音和其他可以感知的内容。

　　为了不断提升这些处理器的性能，制造商们往芯片里塞入了更多运行速度更快的晶体管、硅缓存、数据通道等，但所有这些组件在运行时都会产生大量的热，从而限制了芯片运算速度的进一步提高，尤其是在能耗非常高的移动设备领域，这一点表现得尤为突出。这就使得设备不能有效地处理图像、声音和其他感官数据；因此，也不能用来很好地执行诸如面部识别、机器人或车辆导航等任务。

　　另外，用户对移动设备的要求越来越高，但现在的很多私人助手服务，比如苹果的Siri、Google 的 Google Now 等，功能都很有限，因为这些服务都必须求诸云上功能强大的计算机来回答问题。高通公司技术副总裁、“零程序”负责人杰夫·吉哈尔说：“神经形态芯片的出现正是为了解决此类问题。”

　　人脑有数十亿个神经细胞、数万亿个突触，其可以对视觉和声音刺激等感觉输入信息做出反应，神经形态芯片正是在硅上模拟人脑的这种并行处理多种数据的能力。随着图像、声音或其他信号的变化，神经细胞也可以实时改变与其他神经细胞之间的关联，这一过程被我们称作学习，神经形态芯片与受到大脑启发研制的神经网络模型一起，能做同样的工作。这也是为什么高通公司的先锋机器人尽管以前从未曾见过“蜘蛛侠”，也能仅仅依靠模拟神经形态芯片的软件，将“蜘蛛侠”放在与“美国队长”一样位置的原因。高通公司可能会在智能手机芯片中加入“神经处理单元”，从而处理传感器数据，完成图像识别等任务。

　　尽管神经形态芯片的能力远远逊于人脑，但他们在处理感官数据并从中学习方面，则让现在的计算机望洋兴叹。人脑启发软件制造商Numenta公司的创始人杰夫·霍金斯说，如果像Google那样（2012年，Google公司展示了一款人工智能软件，其在未告知机器什么是“猫”的情况下，利用多达1.6万块处理器，成功识别出了视频中的猫），仅仅通过在传统的处理器上使用特殊的芯片来模拟人脑，这种方式效率太低，无法成为拥有更高智商人工智能机器的基础，他说：“无法只通过软件实现人工智能，你必须用芯片来实现。”

　　神经形态芯片的概念要追溯到几十年前。1990 年，加州理工学院名誉教授、戈登·摩尔的密友、总结出摩尔定律的卡沃·米德在一篇论文中给出了它的定义：“模拟芯片不同于只有二进制结果（开/关）的数字芯片，其可以像现实世界一样得出各种不同的结果，可以模拟人脑神经细胞和突触的电子活动”，但他却没法设计出这种模拟芯片。只有一家名为 Audience 的公司研制出了一款有争议的神经形态处理器，这是一种能抑制噪音的芯片，迄今已经售出数亿片。这种芯片基于人的耳蜗设计而成，可以像人一样隔绝噪音，只听人声，目前已广泛应用在苹果和三星等手机上。

　　作为一家商业公司，高通公司希望产品的实用性大于性能，这也就意味着该公司目前正在研制的神经形态芯片仍旧是数字芯片，这种芯片比模拟芯片更容易制造。高通公司的芯片并没有模拟真实的大脑，而是模拟大脑的行为。例如，这种芯片能够解码和传输数据，模拟的是大脑对感觉信息做出反应时内产生的电峰值。“零程序”工程师安东尼·里维斯表示：“尽管还是以数字的形式来表现，不过，我们已经可以复制大脑的很多行为。”

　　高通公司认为，神经形态芯片可以将智能手机等移动设备变成用户的认知伴侣，这些设备会关注用户的行为和环境，学习用户的习惯。高通研究实验室的商业开发总监萨米尔·库玛说：“如果你的设备能和你采用同样的方式感知环境，那么，设备就能更好地理解你的打算和需求。”

　　IBM的顶级研究专家达曼德拉·摩德哈表示，神经形态芯片可以为盲人制造出眼镜，这种眼镜使用视觉和听觉传感器来识别物体并提供听觉提示；配备有这种芯片的健康护理系统可以监测重要的生命体征，及早发现潜在的风险，提出警告并为病人提供个性化的治疗手段；计算机可以利用风向、潮汐和其他数据，更准确地预测海啸。HRL 实验室的首席研究科学家纳拉扬·斯里尼瓦萨计划今天夏天对一种神经形态芯片进行测试，他会将这种芯片植入鸟类大小的设备内，让这种设备在几个房间内飞来飞去，设备上的芯片会从照相机和其他传感器那儿获取数据，据此记住它正在进入哪个房间，从而学会更精准地导向，这一研究有助于科学家们最终研制出功能更强大的无人机。

　　基因组编辑

　　撰稿：美国《外交政策》杂志特约编辑克里斯蒂娜·拉森和自由撰稿人阿曼达·沙弗尔。

　　制造出拥有特定遗传变异的灵长类动物有助于科学家们更好地研究复杂的大脑紊乱。

　　突破点：科学家们使用一种遗传工具制造出了两只拥有特定遗传变异的猴子。

　　为什么它很重要：改变灵长类动物特定基因的能力是研究人类疾病的有力武器。

　　主要参与者：中国云南省重点实验室、美国加州大学伯克利分校的分子和细胞生物学教授詹妮弗·杜布拉、麻省理工学院的张峰（音译）、哈佛大学的遗传学家乔治·彻奇。

　　云南灵长类生物医学重点实验室的科学家进行了一项极富挑战性的实验，制造出了一对拥有特殊遗传变异的猕猴：“明明”和“玲玲”。

　　这两只猕猴经过试管受精被孕育，接着，科学家使用方兴未艾的名为CRISPR的DNA 工程技术，修改了受精卵中的三个不同基因，然后，再将受精卵植入代孕母猴体内，最终，这两只短尾猴顺利出生，在它们长到2.5个月大时看起来还很健康，但它们体内的绝大多数细胞都携带有人工造成的突变。科学家们表示，这是CRISPR基因组编辑技术首次应用于灵长类动物，最新研究有望让生物医学领域迈入一个新时代，科学家们可以构建出罹患人类疾病的灵长类动物模型。

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编辑：尹盼秋