【大纪元2011年10月04日讯】（大纪元记者张健晨编译报导）如果你曾怀疑大脑的潜力，请看看以下的数据。据统计，现在世界上最先进的超级计算机需要8分半的时间才能完成一个人脑在5秒钟之内的活动。同时，如果这台计算机要做这项工作，它需要消耗140,000倍人脑所消耗的能源。具体来说，需要140万到1,000万瓦的电力能源。就处理能力和效率来说，没有任何电脑可以和人脑相比。
《纳米期刊》（Journal Nano Letters）近期发文指出，斯坦福大学的研究小组展示了一个新的纳米电子设备，可以用来模拟人类神经突触和大脑的运算机制。这是一项重要突破，将有益于未来开发出方便、节能、适应性强和具有互动性能的电脑系统，不但可以执行指令，还可以自我学习。
斯坦福大学的研究团队由电机工程系的华裔教授菲利普‧黄（H.S. Philip Wong）主导，研究涉及一个被称为“脑启发运算”（brain-inspired computing）的新领域，是计算机芯片模仿人类的突触神经信号转导机制。
该团队并非第一个研究该领域的研究小组， 但他们是第一个成功研制出小型、低耗能电子突触（Synapses）设备，并将该技术成熟化的团队。他们的研究为今后该材料进入商业领域打下基础。
黄教授说：“这种发展路线使未来的纳米设备更小、更节能，进而有助于研究大脑的某些部分是如何工作的。虽然你不能改变一个生物的大脑，但是像这样的合成设备可以使研究人员改变设备参数，从而揭示了真正的大脑功能。”
这种新型的设备和以往的设备区别很大。目前的计算机芯片的纳米级的电路是由数十亿微小的电器元件，也就是晶体管（transistor）所构成，并且利用二进制逻辑传达信息。也就是说，他们的逻辑是基于两个数字，1或0。在电力方面，晶体管或者是“开启”或是“关闭”。
每个芯片里有了足够的晶体管，编程员们就可以操控电器回路，使数十亿的晶体管开启或是关闭来存储了计算信息，也就是“计算”。计算机芯片处理速度和大小很大程度上取决于我们能否制造出更快的晶体管，并将它们存储在更小的空间里。
突触是人脑中最小的单位，但是和晶体管至少在两个方面有所不同。首先，它们在能力上有所不同。换句话说，突触可以传达的信息远远超过了一个晶体管。其次，突触可以随时间而改变。团队成员杰亚辛表示： “突触的改变是以人的学习为基础的。虽然计算机芯片可以大量的制造出来，但是并不能随意改变。”
在神经学中， 这两个优势的结合被称为“突触可塑性”（synaptic plasticity），它是研究人脑如何学习，计算，记忆的主要理论基础之一。
像晶体管电路一样，神经元和突触紧紧结合在一起，但是它们的电路是基于突触的不同强度性。电子化学信号在同一路径上的重复运动可以增强该路径上的突触，增加了它们的未来“激活”可能性。就像神经专家们常常说的那样，神经元连在一起，在一起“起火”。
突触的可塑性解释了为什么熟能生巧。同样的电子讯号的重复传播不断的加强某种模式，因此大脑开始“学习”。另一研究人员库兹表示：“大脑是一个神奇的机器。它的电路要复杂的多，更加有能力，能源使用率更高，任务处理速度远远超过基于二进制的最快的计算机芯片。”
斯坦福的研究团队使用一种被称为“相变物质”（phase-change material）的技术模拟突触的可塑性，该技术也被应用于DVD和CD的资料存储。当“过电”时，这些物质的物理属性发生变化，使它们的导电性微量增加，电量越大，变化越多。
斯坦福的团队向外界证明了他们有能力控制突触设备1%的物理变化，就像灯泡的调光器一样，这意味着每一个“相变物质”（phase-change）突触可以传递100个值。 该种设备可以使用现有的材料和商业机器投入生产。
然而，研究人员并没有预计他们的产品将会取代现有的芯片，但是他们表示他们的研究方向是一个遥不可及的，令人兴奋的领域。
库兹说：“我们的长远目标并不是要取代现有芯片，而是要定义一个全新的计算设备的架构方案。这些新的结构将通过一些数据密集型算法适应复杂的现实世界，并产生一种超越当前瓶颈斗争的算法。”
这些突触设备最大的优势是它的并行性，大脑可以同时处理很多的感官信息，在这一点上，电脑非常的薄弱。一台超级计算机的能力和它的处理器速度有可能会允许将一个巨型任务分成子任务，由不同的处理器同时处理不同的小任务。一个类似大脑的计算结构可能会使更多小的芯片同时运作。
这项技术将会实时模拟大脑功能，进而应用于神经科学，加深我们从生物领域得到的对大脑的理解。 “脑启发”电脑也会更加娴熟的作出基于概率的决策。
黄教授说：“这项工作对于我们用纳米电子器件和电路来模拟大脑功能是非常可喜的一步。现在我们可以开辟一个新的研究领域，将纳米电子学应用于神经科学。”
该项技术由国防部高级研究计划局“突触”项目（RPA SyNAPSE）、IBM研究中心、国家科学基金会（NSF）和半导体研究公司的纳米电子研究所等机构共同赞助。
（责任编辑：张东光）
