Loihi具有嗅覺(jué)的芯片

2020-03-18

英特爾和康奈爾大學(xué)的研究人員正在將“嗅覺(jué)科學(xué)”在硅片上實(shí)現。

2020年3月16日，英特爾宣布他們的研究人員以及康奈爾大學(xué)的研究人員證明，經(jīng)過(guò)適當的培訓，芯片可以聞到氣味。

這些研究人員展示了一種自學(xué)習型神經(jīng)形態(tài)芯片  能夠識別有害化學(xué)物質(zhì)的能力，即使它被明顯的咬合和噪聲所包圍。當用一種氣味樣本對Loihi芯片進(jìn)行測試時(shí)，它可以有效地“學(xué)習”該氣味，而不會(huì )干擾以前學(xué)習到的氣味的記憶。

英特爾實(shí)驗室神經(jīng)形態(tài)計算小組的高級研究科學(xué)家納比爾·伊瑪姆（Nabil Imam）持有Loihi測試芯片，他與康奈爾大學(xué)的研究團隊一起使用了該芯片，以構建數學(xué)算法來(lái)模擬大腦嗅覺(jué)系統中發(fā)生的事情。圖片由Walden Kirsch和Intel提供

總體而言，Loihi能夠學(xué)習10種不同的氣味。發(fā)現Loihi的性能優(yōu)于傳統方法，例如深度學(xué)習解決方案，該方法每班需要進(jìn)行3000倍的培訓才能具有相同的分類(lèi)精度。

Loihi的歷史

2017年9月，英特爾發(fā)布了Loihi，這是他們的神經(jīng)形態(tài)研究測試芯片，其數字電路模仿了大腦的基本機制。研究團隊這樣做是為了加快機器學(xué)習速度，同時(shí)使過(guò)程效率更高，計算能力更低。 

英特爾的Loihi是一種自學(xué)習的神經(jīng)形態(tài)芯片，旨在幫助研究人員在神經(jīng)科學(xué)與人工智能的交叉點(diǎn)上取得重大進(jìn)展。圖片由英特爾提供

Loihi芯片具有完全異步的神經(jīng)形態(tài)多核網(wǎng)格，該網(wǎng)格支持各種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，并使每個(gè)神經(jīng)元都能與數千個(gè)其他神經(jīng)元進(jìn)行通信。

每個(gè)核心本身都有一個(gè)學(xué)習引擎，可以對它進(jìn)行編程，以在運行期間適應網(wǎng)絡(luò )參數，并且可以支持監督，無(wú)監督，強化以及機器學(xué)習中發(fā)現的其他學(xué)習范例。

人腦擁有超過(guò)860億個(gè)神經(jīng)元和100萬(wàn)億個(gè)突觸，而Loihi則擁有13萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元和1.3億個(gè)突觸，它們是采用英特爾14納米制程技術(shù)制造的。 

Loihi如何學(xué)會(huì )“聞”？

那么，研究人員如何實(shí)現這一壯舉？他們從神經(jīng)算法開(kāi)始，他們基于人腦嗅覺(jué)回路的結構和動(dòng)力學(xué)。接下來(lái)，他們培訓了Loihi以識別10種有害化學(xué)物質(zhì)的氣味。

英特爾實(shí)驗室神經(jīng)形態(tài)計算小組的高級研究科學(xué)家納比爾·伊瑪姆（Nabil Imam）及其團隊隨后編輯了一個(gè)數據集，該數據集包含72種化學(xué)傳感器的活性，以響應這10種氣味，包括丙酮，氨和甲烷。

該芯片旨在模擬人腦區分氣味的方式。屏幕截圖由Intel提供

傳感器對各個(gè)氣味的響應被傳輸到Loihi，在那里負責嗅覺(jué)的大腦電路被硅電路模仿。Loihi的一項重要功能是能夠區分氣味之間的差異，即使有強烈的背景干擾物也是如此。為了進(jìn)行比較，家里的煙霧探測器和一氧化碳探測器可以探測到氣味，但是無(wú)法區分它們。 

“電子鼻系統”的未來(lái)

據伊瑪目（Imam）稱(chēng)，化學(xué)傳感界一直在尋找一種廉價(jià)，可靠和快速響應的化學(xué)傳感處理系統，例如Loihi。這樣的系統也稱(chēng)為“電子鼻系統”。這些系統的某些用途可以包括：

①為機器人配備神經(jīng)形態(tài)芯片，用于環(huán)境監測和有害物質(zhì)檢測；這可以使研究人員確切地知道釋放到大氣中的氣態(tài)物質(zhì)。

②控制工廠(chǎng)的空氣質(zhì)量

③在疾病散發(fā)出特殊氣味的情況下診斷醫療狀況（類(lèi)似于狗如何聞到人類(lèi)某些疾病的氣味）

④識別機場(chǎng)安全線(xiàn)中的有害物質(zhì)，例如炸彈或麻醉品

此外，伊瑪目（Imam）希望“將這種方法推廣到更普遍的問(wèn)題中”，以了解觀(guān)察對象與解決抽象問(wèn)題（如計劃和決策）之間的關(guān)系。Imam指出，能夠將嗅覺(jué)系統轉化為數字電路有助于研究人員了解神經(jīng)電路如何解決復雜的計算問(wèn)題，并為設計“有效而強大的機器智能”提供見(jiàn)識。

嗅覺(jué)信號識別的挑戰

英特爾和康奈爾大學(xué)的團隊取得的重大進(jìn)步并非沒(méi)有未來(lái)設計要解決的幾個(gè)挑戰。

由于大腦神經(jīng)活動(dòng)模式的相似性，就像人類(lèi)可能難以區分藍莓或香蕉之類(lèi)的水果的氣味一樣，神經(jīng)形態(tài)系統也可能面臨類(lèi)似的問(wèn)題，尤其是在嘗試將不同氣味歸為同一類(lèi)別時(shí)。 

Loihi的特寫(xiě)圖像。英特爾宣布64種Loihi芯片將組成一個(gè)名為Pohoiki Beach的新神經(jīng)形態(tài)系統。圖片由英特爾提供

Imam相信，在未來(lái)幾年中，隨著(zhù)技術(shù)從實(shí)驗室轉移到實(shí)際場(chǎng)景，嗅覺(jué)信號識別中的這些挑戰可以得到解決。英特爾對未來(lái)的愿景是，隨著(zhù)智能和決策流程的可訪(fǎng)問(wèn)性和加速性，神經(jīng)形態(tài)計算將走在解決復雜世界問(wèn)題的前沿。

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