用100萬個CPU并行就想模擬出人腦？too simple！－IT工程師數位筆記本

文章出處

計算機能揭開人腦的秘密嗎？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微處理器創造一個大腦的電子模型。現在，這個被稱為SpiNNaker的項目，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、大規模人腦數字模型。歐洲自然科學基金（EPSRC）最新一期Pioneer雜志，用封面文章對Steve Furber和他的宏大計劃做了介紹。

1981年，才從劍橋大學博士畢業的Steve Furber出任負責人，帶領團隊為艾康電腦（Acorn）旗下的BBCMicro計算機設計硬件。Furber后來與人聯合開發了AcornRISCMachine（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。據估計，如今有大約750億臺安裝有ARM微處理器的設備，全部聯網設備中的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，公司的研發部門成立了ARM有限公司，如今世界領先的半導體IP公司。

為省錢研發塑料處理器

故事始于1977年，SteverFurber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始人ChrisCurry和HermannHauser。后來，Furber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BBCMicro的單子，作為計算機認知項目（ComputerLiteracyProject）的一部分。Furber在這個項目上與SophieWilso合作，后者是軟件工程天才，也是計算機語言BBCBASIC的發明人。

受美國微處理器革命的影響，并去到美國進行實地考察后，Furber和Wilson決定自己設計處理器，那時他們已經是艾康的全職員工。他們的任務是為一臺“經濟型”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：“結果卻發現處理器適用于移動設備。”當初低能耗并不在原定目標內，出現這樣的結果，是因為結構簡單。

1987年這款臺式機銷售，市場表現令人失望。后來，蘋果公司將這款處理器用在了NewtonPDA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知道了。

ARM的成功關鍵在于商業模式高度集中，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“充分發掘物聯網機遇”。

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”。

斥資10億歐元研發人腦

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。

如今，我們已經在筆記本、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量的增多而增大的；不斷增加核的數量，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將改變我們工作、商業、購物、旅行以及進行各種各樣事情的方式，而低能耗和穩定性將是其中的關鍵。”

“最終，這些系統將塑造一個全新的數字時代。”

現在，Furber和他的團隊正在致力于研究并行計算系統，也就是將一大批處理器在同一時間進行計算。

然而，并行的處理器數量越多，挑戰也就越大，穩定性和可持續性就成了關鍵，比如軟件持續流暢運行的時間，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（SpikingNeuralNetworkArchitecture），這個系統與今天所有的計算系統都大為迥異。

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，模仿人腦神經元實時發送信號的方式。

現在，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、大規模數字模型。有了它，研究人員將能夠精確地模擬腦區，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。歐洲人腦計劃聯合了100多所高校、企業研究院和其他科研機構，覆蓋從神經科學、計算科學和腦科學相關醫藥領域，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建一個超快且低能耗的下一代芯片。

模擬人腦須突破能量限制

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，和節能燈一樣。”Furber說，現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，雖然在規模上不可同日而語。”

讓我們用ARM有限公司的CEOMikeMuller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。”

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