世界首臺神經(jīng)形態(tài)超級計(jì)算機(jī)因類腦數(shù)學(xué)接近現(xiàn)實(shí)

偏微分方程有助于解決現(xiàn)實(shí)世界問題，常被用于模擬天氣模式和構(gòu)建材料行為模型。

美國桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員展示了一種利用神經(jīng)形態(tài)硬件求解偏微分方程的新算法，這使世界首臺神經(jīng)形態(tài)超級計(jì)算機(jī)正逐漸接近現(xiàn)實(shí)。這項(xiàng)技術(shù)不僅能讓研究人員對流體動力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)等現(xiàn)象進(jìn)行建模，還能以驚人的能效實(shí)現(xiàn)這一過程。

近年來人工智能在技術(shù)領(lǐng)域的爆發(fā)式發(fā)展表明，計(jì)算系統(tǒng)可以被編程以表現(xiàn)出類似智能的行為。然而，這些系統(tǒng)運(yùn)作需要海量資源，并且隨著系統(tǒng)變得更智能，這種需求只會增加。科學(xué)家們寄望于能效更高的神經(jīng)形態(tài)超級計(jì)算機(jī)來取代它們。

神經(jīng)形態(tài)超級計(jì)算機(jī)

受人類大腦啟發(fā)，神經(jīng)形態(tài)計(jì)算機(jī)有望以硅基計(jì)算機(jī)一小部分的成本完成復(fù)雜計(jì)算。雖然它們外表看起來像傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，但其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)截然不同。科學(xué)家曾認(rèn)為這些計(jì)算機(jī)擅長模式識別和加速人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，但不擅長解決數(shù)學(xué)問題。

桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室計(jì)算研究中心神經(jīng)科學(xué)家布拉德·艾莫內(nèi)解釋道："無論是擊打網(wǎng)球還是揮棒擊打棒球，任何類型的運(yùn)動控制任務(wù)都涉及非常精密的計(jì)算，屬于百億億次級別的難題，而我們的大腦卻能用極低成本完成。"

艾莫內(nèi)與實(shí)驗(yàn)室另一位神經(jīng)科學(xué)家布拉德·泰爾曼共同開發(fā)了一種算法，使神經(jīng)形態(tài)硬件能夠求解偏微分方程。這表明神經(jīng)形態(tài)計(jì)算能以遠(yuǎn)低于當(dāng)今超級計(jì)算機(jī)的功耗處理大規(guī)模模擬。

求解數(shù)學(xué)、健康與地緣政治問題

二人開發(fā)的算法保留了大腦皮層網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和動態(tài)特性。泰爾曼在新聞稿中補(bǔ)充道："我們的電路基于計(jì)算神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域中一個(gè)相對知名的模型。我們證明了該模型與偏微分方程存在天然卻非顯而易見的聯(lián)系，這種聯(lián)系直到模型提出12年后的今天才被揭示。"

這不僅為神經(jīng)形態(tài)計(jì)算開啟了解決多種數(shù)學(xué)相關(guān)問題的大門，也讓研究人員興奮于它可能以前所未有的方式幫助我們應(yīng)對腦部疾病。艾莫內(nèi)指出："腦部疾病可能是計(jì)算障礙疾病，但我們尚未完全掌握大腦執(zhí)行計(jì)算的機(jī)制。"

在神經(jīng)形態(tài)環(huán)境中理解計(jì)算，還有助于闡明導(dǎo)致阿爾茨海默癥和帕金森癥等疾病的腦內(nèi)變化及其治療方法。

這項(xiàng)研究的意義超越了數(shù)學(xué)和健康領(lǐng)域。其研究資助方之一——美國國家核安全管理局，每年耗費(fèi)巨量能源模擬核武器及其相關(guān)系統(tǒng)的物理過程。將這些模擬轉(zhuǎn)為神經(jīng)形態(tài)計(jì)算，可在維持計(jì)算能力的同時(shí)大幅降低能耗。

神經(jīng)形態(tài)計(jì)算研究仍處于起步階段，但這項(xiàng)工作讓我們距離建造首臺神經(jīng)形態(tài)超級計(jì)算機(jī)更近一步。研究團(tuán)隊(duì)通過此項(xiàng)成果，為探索該技術(shù)的全部潛力奠定了基礎(chǔ)。泰爾曼在新聞稿結(jié)尾展望道："既然我們已經(jīng)證明能將這種相對基礎(chǔ)但關(guān)鍵的應(yīng)用數(shù)學(xué)算法引入神經(jīng)形態(tài)計(jì)算，那么是否存在更先進(jìn)應(yīng)用數(shù)學(xué)技術(shù)所對應(yīng)的神經(jīng)形態(tài)表達(dá)呢？"

該研究成果已發(fā)表于《自然·機(jī)器智能》期刊。

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