全球首台100亿神经元规模人脑模拟器“Westwell Brain”诞生上海

近日，类脑研究初创公司西井科技宣称取得世界级科研成果，成功利用FPGA开发出全球首台100亿规模的“神经元”人脑模拟器。

该人脑模拟器被命名为“西井大脑”（Westwell Brain）。该人脑模拟器完全由硬件实现，据该公司称，其是目前模拟“神经元”数量最多的人脑模拟器。

我们每天的每一个行为都来自大脑皮层的控制和反应。平均而言，大脑皮层约由1000亿个神经细胞组成，这些神经细胞被称为“神经元”。

西井科技基于电路直接模拟人类的“神经元”形态，建立起神经网络中“神经元”与“神经元”之间的连接，通过脉冲spike来传递信息，创造连接了拥有100亿神经元的神经网格来模拟人类大脑的运行方式。

具体来说，该公司使用FPGA模拟人类“神经元”。该硬件平台内含有80个“神经引擎”（neural engine），每个“神经引擎”含有512K个“神经核”（neural core），每个“神经核”（neural core）含有256个“神经元”。每个“神经引擎”含有128M神经元，每个“神经元”最多可以连接到13.5K个“神经元”。因此，每块FPGA就含有51.2亿个“神经元”，整个模拟器就拥有了超过100亿“神经元”。

“Westwell Brain”与Google“人脑模拟器”的区别

2012年，Google的科学家曾通过将1.6万片电脑处理器（cpu)连接起来，创造了一个拥有 10 亿多条神经元连接的神经网络。

从模拟“神经元”的数量级上看，“Westwell Brain”（西井大脑）模拟的“神经元”数量为Google“人脑模拟器”的10倍，据称“是目前世界上在最小体积单位上实现最多神经元数量的人脑模拟器。”

而两者最本质的区别在于，“Westwell Brain”已完全摆脱了冯•诺依曼计算机结构，使用的是电路模拟“神经元”的方法，而Google“人脑模拟器”却仍使用了1.6万片电脑处理器（cpu）连接。

据西井科技首席科学家汪润春博士介绍:冯•诺依曼理论主要核心为数字计算机的数制采用二进制,即0和1 ；同时，计算机是按照程序顺序执行，也就是所谓的“串联”。而真正的人脑神经元模式则为“并联”，这就是为什么，人类可以同步将诸如视觉图像信息神经元、逻辑思维判断神经元与人类“自我学习”的能力等自然结合完成相关“任务”，比如：当一个人面前同时出现了一本杂志与一份报纸，普通正常人会在一瞬间立即完成对杂志与报纸的这两者属性的基本判断，这就是由于我们大脑内视觉图像信息神经元、逻辑思维判断神经元与人类“自我学习”的能力一瞬间“并行”作用的结果。而这与冯•诺依曼理论的“串联”有完全的不同。再举个例子：斯坦福计算机视觉实验室的李飞飞教授在2015年的TED演讲中播放了几幅猫的照片，有正常角度拍摄的，也有猫咪躲在沙发后只露出头的照片，李教授表示这些所有猫的照片都能被3岁的孩子辨认出，但计算机技术目前还在努力争取完全“识别”。这也是一个很好诠释“并联”与“串联”、人脑与计算机差异的例子。

“Westwell Brain”能模拟出类似人脑的“并联”结构的理论依据是什么？

西井科技汪博士表示，他们的理论基础是神经形态工程学（Neural Engineering）。这是一个新兴的交叉学科领域，将工程技术方法与神经科学研究融合在一起，从分子、细胞、神经网络直至认知和行为学的层面来研究神经系统的构成及其工作机制。该学科的奠基人之一便是在上世纪80年代末提出类脑研究的美国科学家Carver Mead。Carver Mead曾提出：运用包含虚拟电路的超大规模集成电路系统来模仿在人类神经系统中存在的神经生物构造，跳脱出原有的计算机模式，开发出能够利用简单、可靠、快速且低能耗运算设备的随机行为的新技术，破译大脑活动信息，理解人的思维，由此实现全新意义上的人机交互。

“Westwell Brain”的真正价值

西井科技CEO谭黎敏告诉记者，“Westwell Brain”支持目前世界神经形态研究领域最常用的软件“PyNN interface”，该软件被神经形态领域科学家普遍使用开展神经形态相关研究。同时，“Westwell Brain”也是目前世界上唯一可以商用化的人脑模拟器。

目前，世界脑科学研究领域的三大方向为：（1）阐明脑功能：也就是研究产生感知、情感和意识的脑区结构和功能（功能定位、认知、运动、情感、学习，思维、直觉、自我意识），研究脑通讯功能（语言信息在脑神经网络中表达的机制，人类获得语言能力的过程、语言、思想和智力之间的关系）；（2）征服脑疾患：研究控制脑发育和衰老过程（识别与发育及脑分化相关的基因家族、发展调节脑发育和分化的技术手段，促进人类大脑健康发育和防止发育异常，控制人脑衰老），研究控制脑发育和衰老过程（识别与发育及脑分化相关的基因家族、发展调节脑发育和分化的技术手段，促进人类大脑健康发育和防止发育异常，控制人脑衰老）；（3）开发出类脑芯片和类脑超级计算机：发展脑型器件和结构（具有学习和记忆能力的神经元芯片、智力认知功能，具有智力、情感和意识的脑型计算机），设计和开发脑型信息产生和处理系统（支持人类机能的机器人系统）。

而“Westwell Brain”就像一个工具，未来可以支持其他科学家去了解脑、保护脑、创造“脑”。比如，“Westwell Brain”可以通过接受医学上大脑神经元脉冲放电数据，通过直观方式呈现人脑的脉冲形态，以帮助人类更清晰更直观的研究人脑的一些诸如帕金森氏综合症、阿兹海默症等症状，同时采集药理或治疗方案数据，反馈回大脑仿真模拟器，来检验药物及治疗的作用区域及效果。还可以为未来治愈由脑部神经元造成的疾病以及神经性受损创伤后的术后康复等提供新的、更科学的治疗方法。