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近日，國內初創企業西井科技宣布其100億規模“神經元”人腦模擬器誕生。
該人腦模擬器被命名為“Westwell Brain”（西井大腦），西井科技稱其是目前公開已知的模擬“神經元”數量最多的人腦模擬器，也是目前唯一由硬件設計完成的人腦模擬器。
西井科技是一家成立剛剛一年的企業，也是一間專注研究Neuromorphic仿腦神經形態工程的商業試驗室。實驗室由西井科技首席科學家汪潤春帶領，汪潤春是西悉尼大學生物醫學工程與神經科學學科博士后，在人腦神經元網絡領域有著多年的研究。在之前的研究中，汪潤春使用了一種新的延遲自適應算法，可以應用于包括FPGA實現和混合/模擬信號超大規模集成電路，實現類人腦神經元網絡的處理方式。該研究的優勢在于低功耗和低成本，且獨具實時學習能力，極大提升運算速度。這次，西井科技主要是將汪潤春的研究成果產品化。目前，西井科技的團隊成員在20人。
要了解上海西井科技如何研制出100億規模“神經元”人腦模擬器，就必須對神經元有所了解。
人類大腦有一千億個神經細胞，彼此之間由大量的神經纖維連接成極為復雜的神經網絡。神經元在接受到某種信息的“激勵”后，就會產生一個電脈沖，神經元在受到強激勵的時候會產生大量的脈沖，以至于不斷間隔產生大量脈沖，而當頻繁的激勵過程會被神經元細胞對信號的刺激適應，那么每次的放電間隔會越來越少，從而慢慢降低自己的功耗。在神經生理學上，神經細胞重復地從事一件事情，同時相互間反射，就會自動建立起一種長期穩定的聯系。
在人類思維產生，學習新生事物的過程中，大腦皮層中的神經元細胞也正在進行信息的交互，如同電閃雷鳴一樣釋放著電脈沖，大腦每一塊扇形區域的“咆哮”，正對應于身體的不同器官，對于各種圖像、聽覺、邏輯、語言等做出反應。
西井科技正是通過使用電路去直接模擬人類的“神經元”形態，建立起神經網絡中“神經元”與“神經元”之間的連接，通過依靠這些“神經元”來處理信息，用脈沖spike來傳遞信息，創造連接了擁有100億神經元的神經網格來模擬人類大腦的運行方式。
具體來說，西井科技使用了硬件平臺模擬人類“神經元”。該硬件平臺內含有80個“神經引擎”（neural engine），每個“神經引擎”含有512K個“神經核”（neural core），每個“神經核”（neural core）含有256個“神經元”。每個“神經引擎”含有128M神經元，每個“神經元”最多可以連接到13.5K個“神經元”。因此，每塊硬件就含有51.2億個“神經元”，整個模擬器就擁有了超過100億“神經元”。
Westwell Brain人腦模擬器的實時演示視頻
“Westwell Brain”與Google“人腦模擬器”的區別
2012年，Google的科學家曾通過將1.6萬片電腦處理器（cpu)連接起來，創造了一個擁有 10 億多條神經元連接的神經網絡。
從模擬“神經元”的數量級上看，“Westwell Brain”模擬的“神經元”數量為Google“人腦模擬器”的10倍，是目前世界上在最小體積單位上實現最多神經元數量的人腦模擬器。
而兩者最本質的區別在于，“Westwell Brain”已完全擺脫了馮·諾依曼計算機結構，使用的是電路模擬“神經元”的方法，而Google“人腦模擬器”卻仍使用了1.6萬片電腦處理器（cpu）連接。
據西井科技首席科學家汪潤春博士介紹：馮·諾依曼理論主要核心為數字計算機的數制采用二進制，即0和1；同時，計算機是按照程序順序執行，也就是所謂的“串聯”。而真正的人腦神經元模式則為“并聯”，這就是為什么，人類可以同步將諸如視覺圖像信息神經元、邏輯思維判斷神經元與人類“自我學習”的能力等自然結合完成相關“任務”。
比如：當一個人面前同時出現了一本雜志與一份報紙，普通正常人會在一瞬間立即完成對雜志與報紙的這兩者屬性的基本判斷，這就是由于我們大腦內視覺圖像信息神經元、邏輯思維判斷神經元與人類“自我學習”的能力一瞬間“并行”作用的結果。而這與馮·諾依曼理論的“串聯”有完全的不同。
再舉個例子：斯坦福計算機視覺實驗室的李飛飛教授在2015年的TED演講中播放了幾幅貓的照片，有正常角度拍攝的，也有貓咪躲在沙發后只露出頭的照片，李教授表示這些所有貓的照片都能被3歲的孩子辨認出，但計算機技術目前還在努力爭取完全“識別”。這也是一個很好詮釋“并聯”與“串聯”、人腦與計算機差異的例子。
那么“Westwell Brain”能模擬出類似人腦的“并聯”結構的理論依據是什么？
汪潤春博士給出了答案。他說西井科技的理論基礎是神經形態工程學（Neuromorphic Engineering）。這是一個新興的交叉學科領域，它將工程技術方法與神經科學研究融合在一起，從分子、細胞、神經網絡直至認知和行為學的層面來研究神經系統的構成及其工作機制。
該學科的奠基人之一便是在上世紀80年代末提出類腦研究的美國科學家Carver Mead。Carver Mead曾提出：運用包含虛擬電路的超大規模集成電路系統來模仿在人類神經系統中存在的神經生物構造，跳脫出原有的計算機模式，開發出能夠利用簡單、可靠、快速且低能耗運算設備的隨機行為的新技術，破譯大腦活動信息，理解人的思維，由此實現全新意義上的人機交互。
“Westwell Brain”的真正價值
“Westwell Brain”作為全球首臺100億“神經元”人腦模擬器，對未來人類了解腦、保護腦、創造“腦”將具有積極廣泛和深遠的意義。
西井科技CEO譚黎敏表示："Westwell Brain”支持目前世界神經形態研究領域最常用的軟件“PyNN interface"，該軟件被神經形態領域科學家普遍使用開展神經形態相關研究。同時，“Westwell Brain”也是目前世界上唯一可以商用化的人腦模擬器。
目前，世界腦科學研究領域的三大方向為：
（1）闡明腦功能：也就是研究產生感知、情感和意識的腦區結構和功能（功能定位、認知、運動、情感、學習，思維、直覺、自我意識），研究腦通訊功能（語言信息在腦神經網絡中表達的機制，人類獲得語言能力的過程、語言、思想和智力之間的關系）；
（2）征服腦疾患：研究控制腦發育和衰老過程（識別與發育及腦分化相關的基因家族、發展調節腦發育和分化的技術手段，促進人類大腦健康發育和防止發育異常，控制人腦衰老），研究控制腦發育和衰老過程（識別與發育及腦分化相關的基因家族、發展調節腦發育和分化的技術手段，促進人類大腦健康發育和防止發育異常，控制人腦衰老）；
（3）開發出類腦芯片和類腦超級計算機：發展腦型器件和結構（具有學習和記憶能力的神經元芯片、智力認知功能，具有智力、情感和意識的腦型計算機），設計和開發腦型信息產生和處理系統（支持人類機能的機器人系統）。
而“Westwell Brain”就像一個工具一樣，未來可以支持其他科學家去了解腦、保護腦、創造“腦”。比如:“Westwell Brain”可以通過接受醫學上大腦神經元脈沖放電數據，通過直觀方式呈現人腦的脈沖形態，以幫助人類更清晰更直觀的研究人腦的一些諸如帕金森氏綜合癥、阿茲海默癥等癥狀，同時采集藥理或治療方案數據，反饋回大腦仿真模擬器，來檢驗藥物及治療的作用區域及效果。還可以為未來治愈由腦部神經元造成的疾病以及神經性受損創傷后的術后康復等提供新的、更科學的治療方法。
除了人腦模擬器，西井科技還在研發一種完全跳脫于馮諾依曼結構的神經形態的芯片結構——即模擬人腦神經元工作原理而制造出的芯片，它既具備人腦的學習能力，又具備強大的特定運算能力，僅需一塊郵票大小的芯片，就能模仿人類大腦在短時間內處理海量的感官信息。
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