计算机科学的未来也许在于对人类思维的混沌特性的解读

作者：Douglas Fox

摘自 《Discovery》2009.10期刊，2009.6 发表于网络

图：Kwabena Boahen/Stanford University

Kwabena Boahen 与电子计算机的第一次亲密接触是在1981年，那时他16岁。然而几乎同时，他发现自己并不真的喜欢这些机器。

Boahen的家位于阿克拉城外(西非国家加纳的首都)，房屋安逸地散布在一片种植着芒果和香蕉树的林地。有一天下午，Boahen的父亲开着他的标致牌汽车回来，车厢里装着带给Boahen的惊喜——一台从英国购买的RadioShack TRS-80计算机。这也是他们家的第一台计算机。

小Boahen把这台机器放在门廊的桌子上，那是他常常摆弄收音机、拿塑料管子做空气喷枪的地方。他把电视连接到计算机上作为显示器；又把卡式存储器连上去，这样他就可以把自己写的程序记录在磁带上。没过多久，他便开始在计算机上玩起自己编写的乒乓球游戏了。然而当他弄清楚他心爱的电脑——以及所有其他计算机——的电子计算原理时，他不再那么喜爱这个“玩具”了。

让屏幕上的乒乓球移动仅仅一个像素的距离便要调用成千上万个由晶体管开关表示的“1”和“0”，这些晶体管每秒钟开关的次数达到250万次。Boahen幻想他心爱的计算机有一颗优雅的心，而不是这一砣微小繁复的2进制代码。“我只觉得恶心，”他回忆道。“实在是太粗鄙了。”这次幻想的破灭促使他形成了一个更好的想法，而这个想法最终成为他事业的路标。 

Boahen最终来到了大洋彼岸的美国加州，成为斯坦福大学的杰出科学家。在这儿，他尝试建造一台童年梦想中的计算机——这是一种全新的计算机，不再依靠严苛的传统型硅晶片计算规则，而是依靠类似于人类思维中有条理的混沌。建造这样一台计算机意味着放弃50多年来我们积累起来的关于制造计算机的知识。而这也许正是让信息革命再持续50年的途径。 

人脑的功耗大约是20瓦特，相当于电冰箱里昏暗的照明灯的功率。然而你的电脑每一次计算都要耗费一百万倍的能量。如果你想要给机器人装上一个和人脑一样聪明的芯片，你要为此提供10至20兆瓦特的供电。“10兆瓦相当于一个小型水电站的发电量，”Boahen无奈的表示，“要给机器人装上这样的芯片，我们还得弄出个微型水电站来。”同样，如果你想要给中风病人植入智能芯片，假设芯片需要代替人脑中仅仅1%的神经元，那么这枚芯片的耗电量将相当于200户人家的日常用电，产生的热量和保时捷波斯特（Boxter）赛车发动机相当。 

“能量的使用效率不仅关乎了体面与否，它也将从根本上限制计算机的能力，”Boahen如此评论道。尽管电子工业技术飞速发展，今天的晶体管只有50年前的1/100，000大小，电脑芯片的速度却快了10，000，000倍，然而在能量效率方面我们却几乎没有进展。若一直不能解决能源问题，想要建造和人一样聪明的计算机或者想让计算机性能有极大的提高，无异于痴人说梦。 

Boahen早就明白，要想实现那样的梦想，需要重新审视能量、信息和噪音之间的基本权衡关系。当我们想要从沙沙作响的手机话音中听清对方说了什么，就会遇到此种权衡。我们往往本能地提高自己说话的音量，这其实就是通过加大信号的强度来改善比例关系。现在的电子计算机的工作条件几乎是零噪音，如此程度的清晰需要耗费大量的能量，而这也正是如今的计算方式的局限。

Boahen展示于掌心的小东西闪着斑斓的光，那是他的研究的象征物。这只接近完工的晶片是新型”类神经式计算机“的基础，称为“神经栅格”（Neurogrid）。它同样由数以百万的晶体管组成，和普通计算机当中的芯片没什么两样，不过在这表面的相似性之下，隐藏着设计思维的巨大改革。 

传统的计算机要求晶体管几乎完美地开、关，出错的几率低于万亿分之一。我们的计算机能达到如此程度的精确，实在令人惊叹，只可惜这种精确有点像是空中楼阁。只要其中的一只晶体管出了故障，就可能会令一台计算机崩溃，或者把你的银行存款记录移动一个小数点。工程师为了确保数百万只晶体管可靠地工作而给它们加上比较高的电压，让表示0和1的两个状态有足够大的电压差，这样电压的小幅随机震荡就不会让0和1变得不可分辨。这是计算机如此耗电的重要原因。

Boahen称，想要革命性地提高能量效率，所采用的信噪权衡关系可能会令一个芯片工程师大跌眼镜。忘记所谓的万亿分之一的出错率吧，“Neurogrid”中的晶体管可能会因为噪音信号而出错，其概率达到十分之一。“没人知道我们要如何用这东西做运算，唯一已知的运行于如此白痴的环境中的设备，只有大脑。“

也许听起来荒唐可笑，不过这是千真万确。科学家们已经发现，大脑中千亿量级的神经元的不可靠程度令人瞠目，其神经突触的出错率达30%到90%。但是大脑仍能正常工作。甚至有科学家认为大脑中的”神经元噪声“对人类的创造力至关重要。Boahen以及其他一小群遍布全球各地的科学家试图复制出大脑的”沙沙作响“的计算方式，从而开启一个智能亦节能的新计算机科学时代。而”Neurogrid“就是问路之石。

大多数超型计算机个头和电冰箱差不多，每年要消耗100，000美元到1000，000美元的电能。而Boahen的Neurogrid可以装进公事包里，只需几节1号电池就可满足其供电；若一切进展顺利，其功能将足以与那些巨无霸相媲美。

”含噪计算“这一问题最先在约30年前由一个名叫Simon Laughlin 的年轻神经科学家提出。当时的Laughlin身在堪培拉的澳洲国立大学。1975年的大部分时间他都待在实验室——黑色的墙，一个窗户窗户也没有——灯也要关掉，这样才能观察到从校园各处垃圾桶捉到的丽蝇的视网膜。他把丽蝇粘在一只特殊的塑料平台上，置于显微镜下，并将一根非常细的电极插入其蜂窝状的眼睛里，以记录丽蝇的视网膜对光线的反应。Laughlin通常在中午开始记录，到后半夜才结束。当他坐在实验室里看着代表神经信号的绿光在示波镜上跳动，他有了一些不寻常的发现。

每个丽蝇神经元对恒定光线的反应每一毫秒都有一个起伏。这种起伏遍布神经元的每个活动，不管是色素分子对光的不稳定吸收，还是神经元表面上偶发性的”导电蛋白“或所谓的”离子通道“的打开。Laughlin说道，”我开始意识到’噪声‘从根本上限制了神经元对信息进行编码的能力“。