国内首个100亿规模“神经元”人脑模拟器诞生

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最近，国内初创企业西京科技宣布了其100亿规模的“神经元”人脑模拟器的诞生。

人脑模拟器被命名为“威斯特威尔脑”，西京科技声称它是模拟“神经元”数量最多的人脑模拟器，也是目前唯一由硬件设计的人脑模拟器。

西京科技有限公司是一家成立仅一年的企业，也是一家专注于神经神经形态学工程的商业实验室。该实验室由西京科技的首席科学家王润春领导。王润春，悉尼西部生物医学工程和神经科学博士后，从事人脑神经元网络研究多年。在之前的研究中，王润春采用了一种新的延迟自适应算法，该算法可以应用到包括fpga实现和混合/模拟信号在内的超大规模集成电路中，实现人脑神经元网络的处理模式。本研究的优点是低功耗、低成本，以及独特的实时学习能力，大大提高了计算速度。这次，西京科技主要将王润春的研究成果商业化。目前，西京科技团队有20名成员。

要了解上海西京科技是如何开发出一个100亿规模的“神经元”人脑模拟器的，就必须了解神经元。

人脑中有1000亿个神经细胞，它们通过大量的神经纤维连接在一起，形成一个极其复杂的神经网络。在接受到某些信息的“刺激”后，神经元会产生电脉冲。当神经元受到强烈刺激时，它们会产生大量的脉冲，因此它们会间隔产生大量的脉冲。当频繁的兴奋过程将适应神经元的刺激时，放电间隔将变得越来越短，从而慢慢降低它们的功耗。在神经生理学中，当神经细胞重复做一件事并相互反思时，它们会自动建立长期稳定的联系。

在人类思考和学习新事物的过程中，大脑皮层的神经元也在交换信息，释放像闪电和雷声这样的电脉冲。大脑每个部分的“咆哮”对应于身体的不同器官，对各种图像、听觉、逻辑和语言做出反应。

它是通过电路直接模拟人类“神经元”的形状，建立神经网络中“神经元”之间的联系，依靠这些“神经元”处理信息，利用脉冲尖峰传输信息，创建一个由100亿个神经元连接的神经网格来模拟人脑的运行模式。

具体来说，西京科技使用硬件平台来模拟人类的“神经元”。硬件平台中有80个“神经引擎”，每个包含512k个“神经核”，每个“神经核”包含256个“神经元”。每个“神经引擎”包含128个神经元，每个“神经元”最多可以连接13.5千个“神经元”。因此，每块硬件包含51.2亿个神经元，而整个模拟器有100多亿个神经元。

威斯特威尔人脑模拟器实时演示视频

“威斯特威尔大脑”和谷歌“人脑模拟器”的区别

2012年，谷歌科学家通过连接16，000个计算机处理器(Cpu)，创建了一个拥有超过10亿个神经元连接的神经网络。

从模拟神经元的数量级来看，westwell brain模拟的神经元数量是google的人脑模拟器(Human Brain Simulator)的10倍，后者是世界上最小体积单位上神经元数量最多的人脑模拟器。

两者的本质区别在于，“威斯特威尔大脑”已经完全摆脱了冯·诺伊曼(Von Neumann)的计算机结构，采用了“神经元”的电路模拟方法，而谷歌的“人脑模拟器”(Human Brain Simulator)仍然使用16，000个计算机处理器(Cpu)进行连接。

西京科技首席科学家王润春博士认为，冯·诺依曼理论的主要核心是数字计算机的数字系统采用二进制，即0和1；同时，计算机按程序顺序执行，这就是所谓的“串联”。真正的人脑神经元模型是“并行连接”，这就是为什么人类可以自然地结合视觉图像信息神经元、逻辑思维判断神经元和人类“自我学习”能力来完成相关的“任务”。

例如，当一份杂志和一份报纸同时出现在一个人面前时，普通正常人会在瞬间立即完成对杂志和报纸属性的基本判断，这是由于我们大脑中的视觉图像信息神经元和逻辑思维判断神经元与人的“自我学习”能力的瞬间“平行”效应。这与冯·诺依曼理论的“串联”完全不同。

另一个例子:斯坦福大学计算机视觉实验室的李菲菲教授在2015年的ted演讲中展示了几张猫的照片，包括从正常角度拍摄的照片和猫躲在沙发后露出头的照片。李教授说，所有这些猫的照片都能被3岁的孩子识别，但计算机技术仍在努力实现完全的“识别”。这也是一个很好的例子来解释“并联”和“串联”之间以及人脑和计算机之间的区别。

那么“威斯特威尔大脑”能够模拟类似人脑的“平行”结构的理论基础是什么呢？

王润春博士给出了答案。他说西山丽技术的理论基础是神经形态工程。这是一个新兴的交叉学科领域，它将工程技术与神经科学研究相结合，从分子、细胞、神经网络到认知和行为等方面研究神经系统的组成和工作机制。

该学科的创始人之一是美国科学家卡弗·米德，他在20世纪80年代末提出了类似大脑的研究。卡弗·米德(Carver mead)曾提出，应该利用包含虚拟电路的VLSI系统来模仿人类神经系统中存在的神经生物学结构，跳出原有的计算机模式，开发出一种新技术，可以利用简单、可靠、快速、低能耗的计算设备的随机行为来破译大脑活动信息，理解人的思维，从而实现新意义上的人机交互。

“威斯特威尔大脑”的真正价值

作为世界上第一个100亿“神经元”的人脑模拟器，“威斯特威尔脑”将对未来人类理解、保护和创造“大脑”具有积极、广泛和深远的意义。

西京科技首席执行官谭利民表示:“westwell brain”支持世界上神经形态研究领域最常用的软件“pynn interface”，该软件被神经形态研究领域的科学家广泛使用。同时，“威斯特威尔大脑”也是世界上唯一的商用人脑模拟器。

目前，世界脑科学研究领域的三大方向是:

(1)阐明脑功能:即研究产生知觉、情绪和意识(功能取向、认知、运动、情绪、学习、思维、直觉和自我意识)的大脑区域的结构和功能，研究脑交流功能(脑神经网络中语言信息表达的机制，人类获得语言能力的过程，语言、思维和智力的关系)；

(2)攻克脑疾病:研究和控制脑发育和老化的过程(识别与发育和脑分化相关的基因家族，开发调节脑发育和分化的技术手段，促进人脑健康发育和防止异常发育，控制人脑老化)；

(3)开发类脑芯片和类脑超级计算机:开发类脑设备和结构(具有学习和记忆能力的神经元芯片，具有智能、情感和意识的类脑计算机)，设计和开发类脑信息生成和处理系统(支持人类功能的机器人系统)。

作为一种工具，“威斯特威尔大脑”可以支持其他科学家理解、保护和创造未来的“大脑”。例如，“威斯特威尔脑”可以通过接收医学上脑神经元的脉冲放电数据，直观地显示人脑的脉冲形状，从而帮助人类更清晰、更直观地研究帕金森病、阿尔茨海默病等人脑的一些症状，并收集药理或治疗计划数据，反馈给脑模拟模拟器，以测试药物和治疗的作用区域和效果。也为今后治疗脑神经元引起的疾病以及神经损伤和创伤后的术后康复提供了一种新的、更科学的治疗方法。

除了人脑模拟器，西山丽理工大学还在开发一种完全脱离冯·诺依曼结构的神经形态学的芯片结构，即通过模拟人脑神经元的工作原理制造的芯片。它既有人脑的学习能力，又有强大的特定计算能力，只需要一个邮票大小的芯片，就可以模仿人脑在短时间内处理大量的感官信息。