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未來人腦可被複製嗎?相關軟硬體演進史大解析
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你有想過未來人腦也許是可被複製的嗎?科幻小說、電影等等都曾經出現過類似情節與想像,究竟相關軟硬體的演進是如何走到今天這一步的呢?

本文摘自:《工程之書》,時報出版

西元1921年:機器人

有兩條腿的人形機器人Atlas,是由美國的波士頓動力(Boston Dynamics)機器人公司開發。
工程之書

捷克作家卡雷爾.恰佩克(Karel Capek)於1921年的劇作《RUR》,首次用robot(機器人)這個字,但機器人是什麼?會下棋的電腦擊敗人類棋王,算是機器人嗎?好奇號探測車在火星表面著陸,算是機器人嗎?自動提款機讓你領錢出來,算是機器人嗎?《韋氏大字典》對robot的解釋是:「可以做人做的工作的機器,而且是全自動或受電腦來操控的。」根據這個定義,上面所舉的三個例子當然都能算是機器人。工程師打造出機器人,代替人來做事,這種機器人替身的目的,可能得關係到金錢、安全、便利、千篇一律、嫌惡,或上述這些因素的組合。舉例來說,我們送機器人上火星,是因為這比送太空人上去來得便宜又安全,而且往返的路途上可能會相當單調乏味。

今天我們在很多場合都看得到機器人。美國大部分的製造廠已經高度自動化,銲接、塗裝、機械加工和模製都由機器人來做。許多倉庫及運輸樞紐也都全靠機器人作業,幾百個自動化的機器人,可以同時從倉庫的這一頭移動到另一頭。無人自駕車和卡車,是機器人的發展領域,所有的車輛不久將會由機器人來操控。

現在還欠缺的一環,就是良好的整體視覺能力。人有絕佳的視覺系統,所以能整理一整架的產品,集中停車場上所有的購物車,把待洗衣物分類,清空洗碗機,只要機器人也有這樣的系統,機器人的功能就會急速增多。一旦機器人看得見,能夠再敏捷一點,很可能零售店、餐廳、建造業的工作就會被淘汰。

做到這件事的,是跨各工程領域的結合。馬達、結構、感應器、電腦、電池和電力管理系統全結合在一起,把機器人實際做出來,而工程師還提升機器人的本領,降低價格。工程師遲早會讓機器人做到今天人類所做的所有工作。

西元1946年:第一部電腦ENIAC

拿著電腦板的人,由左至右分別是:派綺.西摩斯(Patsy Simmers)、蓋兒.泰勒(Gail Taylor)、蜜莉.貝克(Milly Beck)。
工程之書

有段時間,世界上沒有電腦,軍方若想計算出槍砲的射程表,得請滿屋子的人員靠紙筆手算,或是用機械式加法機。要計算彗星的軌道或結構梁的受力,也得如此。只要想到,光是把兩個複雜的數相加就需要花五到十秒,就能體會真正重要的運算工作得耗掉多少時間。

結果在1946年,莫渠利和小艾科特這兩位工程師及一批設計工程師,共同做出第一部電腦ENIAC,這部機器隨後就要改變一切。

ENIAC是第一部可程式化的通用電腦。以今天的標準來看,ENIAC非常原始。這部電腦使用到18,000根真空管,就像一間房子那麼大,有27公噸重,而且需要150千瓦(kW)的用電量。它每秒可做5,000個加法運算。

ENIAC和今天所用的電腦一點也不像,正如萊特兄弟的飛機完全不像今天的飛機。ENIAC是採用十進位數的運算,而非二進位數,並可以一次處理10個位數,資料經由讀卡機輸入,而透過打卡機輸出。架設電腦時,程式人員必須裝設許多開關和電線,這道程序要花上很多天。

不過,ENIAC可以執行一般用途的運算,這正是工程師需要的。「曼哈坦計畫」開發第一個氫彈期間,ENIAC成功處理相關的計算工作,為了輸入解決問題所需的數據,總共用掉50萬張打孔卡。這麼大量的計算工作要是靠人力和加法機,不難想像會有多困難。

電腦成了工程師的得力助手,有了電腦,過去解決不了的問題突然有辦法解決。如今,工程技術的各個層面幾乎都用得到電腦。

西元1950年:會下棋的電腦

此圖是IBM的超級電腦「深藍」。
工程之書

1950年,美國數學家夏農寫一篇論文,探討如何替電腦寫出下西洋棋的程式。1951年,英國數學家、電腦科學家圖靈率先寫出一個可下完一盤棋的程式。之後,軟體工程師不斷修改軟體,而硬體工程師也一直在改良硬體。到1997年,IBM的西洋棋電腦「深藍」(Deep Blue)首度擊敗人類西洋棋王,此後人類就沒機會贏了,因為電腦的西洋棋軟硬體一年比一年精進。

工程師是怎麼開發出會下棋的電腦?他們使用機器智慧。在西洋棋方面,機器智慧與人類智慧大不相同。機器是用蠻力(brute force)的方法來解西洋棋問題。

設想一個棋盤,上面擺一套棋子。工程師設計出一種方法,可替棋子的排列法「評分」,分數可能包括每一邊的棋子數、棋子的位置、國王有沒有受到周全的保護等等。現在想像有個很簡單的西洋棋程式:你下黑棋,電腦下白棋,而你剛走了一步棋。這個程式可以嘗試把每一個白棋走到每個能走的位置,同時為每一種走法評分,然後選擇分數最高的那步棋。這個程式棋藝不會太好,但算是會下棋了。

如果電腦更進一步呢?程式同樣是把每一個白棋走到每個能走的位置,然後針對白棋的所有可能棋步,試遍黑棋可能的下一步,然後為所有的結果評分。電腦必須評分的可能走法數雖然大幅增加,但棋藝也精進了。

要是電腦能預想很多步呢?每多預想一步,電腦要評分的走法數就會爆增,電腦也就越下越好。1997年「深藍」贏棋時,每秒可以為2億步棋的走法評分,而它先前已經記下所有常用的開局方式和棄子戰術。一旦發現某些走法無效,「深藍」也能刪減掉大量的棋步。今天智慧型手機的強大運算能力,也運用到同樣的技巧,來擊敗大部分的西洋棋手。

西元1969年:ARPANET網路

第一個介面訊息處理器(IMP)的面板。加州大學洛杉磯分校的Boelter 3420實驗室就是使用這個介面訊息處理器,把第一個訊息發送到網際網路上。
工程之書

在1950年代,世界上只有幾百部電腦,但到了1960年代,許多公司銷售幾千部電腦。1965年迪吉多公司(Digital Equipment Corporation)推出PDP-8,迷你電腦便誕生了。

如果你想使用一部電腦,該怎麼辦?那你需要一個終端機和一條專用的通訊線路。若要使用兩部電腦,就需要兩個終端機和兩條線路。於是大家開始考慮把電腦連結在網路上,這樣就能讀取多部電腦。電機工程師做出硬體,可把語音訊號轉換成數位資料再傳送出。1961年發明的T1線路,每秒可以傳輸150萬個位元─頻寬足夠容納24通電話。電話線路一旦能載送數位資料,就有兩件事會發生:電腦可以連結在一起,而且可以善加利用這些電腦及之間的連結,來執行不同的作業。把這一切組織起來,就產生網際網路。

第一個類似網際網路的電腦互連,是1969年的ARPANET網路,利用美國工程師戴維斯、英國科學家巴蘭與林肯實驗室的羅伯茲發展出來的概念和構想,把四部電腦連結在一起。後來這個小型網路日益擴大,主機電腦的數量在1984年達到1,000部,到1987年數量增加為10,000部。

早期網際網路有兩個很重要的關鍵技術,也就是網路控制程式(NCP)和介面訊息處理器(IMP)。把這兩個技術結合起來,就創造出所有電腦之間的分封交換網路(packet-switched network)。主機電腦想把資訊傳到另一部電腦時,會先將資訊分成許多小資料包,然後把這些封包按目的地位址傳遞到介面訊息處理器。接著,所有的介面訊息處理器再一起把這些封包送到預定的接收電腦。這兩部電腦並不知道封包在網路中如何傳遞,而且也不在乎這件事。封包一到達,就會進行重編。

最後,TCP/IP取代網路控制程式,路由器取代介面訊息處理器,那時候工程師就已經發展出我們今天熟知的網際網路。

西元1971年:微處理器

Intel 4004的協力設計者菲德利科.法金,指著放大版藍圖上的錯綜線路。這枚晶片在1971 年成為全世界第一個微處理器。
工程之書

如果沒有微處理器,今天我們視為理所當然的物品都不可能存在:計算機、電子鐘錶、遙控器、桌上型電腦、筆記型電腦、平板電腦、智慧型手機、高畫質電視、微波爐的數位顯示器和按鍵盤、DVD播放機、儀表板、收音機、恆溫器、印表機。此外,數位相機、MP3播放器、汽車電子控制單元等等,也都不可能誕生。在1969年,普通人身邊的每樣東西都已經做到機械控制。農神五號火箭裡面有部電腦,這點毫無疑問,但那部電腦體積龐大,而且造價上百萬。

到1971年,英特爾的Intel 4004晶片問世,一切就開始改變了。Intel 4004是第一個微處理器─這是史上第一次,只需用一枚矽晶片就能容納整部電腦的所有電路,包括算術邏輯單元(ALU)、暫存器、記憶體定址、指令解碼器。以今天的標準來看,實在不怎麼樣:大概有2,000個電晶體,10微米的特徵尺寸,pMOS技術,740千赫時脈,單一指令8或16個時脈週期,46個指令。這個微處理器每秒能執行的4位元數字指令不超過10萬個,但在當時能有這樣的東西已經相當了不起。

為了做出這個微處理器,包括霍夫、法金、馬佐、嶋正利在內的多位英特爾工程師,利用大量的塑膠細條和長方片,手工做出2,300個電晶體的光罩設計圖。

從那之後,工程師又做出許多進展。4位元暫存器換成64位元,特徵尺寸從微米縮小到奈米,時脈頻率從740千赫增加到3,000百萬赫,電晶體數則從2,000左右飆到數十億個。此外還有概念方面的進展:浮點單元、管線操作、多層快取記憶體、多核心、超純量CPU架構、超執行緒(hyper-threading)技術等等。今天的小型微處理器成本不過幾分錢,耗電量幾乎是零。

我們的生活裡,微處理器無處不在。普通汽車可能有二十多個微處理器,一般人的家裡更多。總有一天,微處理器會超越人腦的能力與複雜度,工程師會設計出功能更強大的替代者。

西元2011年:超級電腦「華生」

2011年1月13日在紐約州約克鎮高地(Yorktown Heights)舉辦的記者會,「華生」挑戰兩位參賽者。
工程之書

工程師和科學家有時會變出令世人完全想不到的東西。舉例來說,在萊特飛行器(Wright Flyer)飛離地面的那一刻,我們就從「沒有飛機」走向「有飛機」,而在Google宣布他們的自動駕駛技術完成16萬公里無事故道路測試的那一天,我們又從「無人自駕車還有好長一段路要走」,走向「無人自駕車的時代已然來臨」。

「華生」超級電腦也是如此─這是由IBM首席研究員費路奇帶領的團隊開發出來,去參加電視節目《危險邊緣》(Jeopardy!)益智搶答的電腦。出乎意料的是,「華生」徹底擊敗人類衛冕者,讓眾人跌破眼鏡。

IBM工程師是怎麼辦到的?有部分是很大的硬體問題,另一部分則是創新的軟體。軟體工程師所做出最重要、可能也是最令人驚訝的決定,是使用未貼標籤(untagged)的資料。換句話說,「華生」會讀入未作修改的資料,如維基百科、網路電影資料庫(IMDb)、字典。「華生」會運用自然語言處理、機器學習、語意分析,來理解所有資料。完全不必為資料加上架構或標籤。為了理解節目出的題目,演算法會把原始文字資訊從頭到尾整理過,產生一個知識庫,再把知識庫結合到自然語言處理的前端處理系統。隨後會由一個合成語音來答題。

「華生」的速度也很快。第一個系統(也就是2011年上電視參賽的那個)是一部塞滿整個房間的超級電腦,因為它用了幾乎100個伺服器,裡面有將近3,000個處理器核心和16兆位元組(TB)的記憶體,這樣才有辦法執行軟體。

「華生」的答題能力只是起步。同樣的軟體技術可以處理各種文字資訊,像醫學、法律、科學、網際網路,使出同樣的魔法。比方你可以想像一個搜尋引擎「聽得懂」你問的問題,或是有個系統能讓醫生問任何一個醫學問題,還能從中得到所有的相關研究結果。「華生」是最新尖端工程技術的絕佳例子。

約西元2024年:複製人腦

複製人腦,是工程師計畫突破傳統生命極限的例子。
工程之書

跟今天使用的電腦相比,人腦的功能及效率絕對無可匹敵。由於電腦和人腦建立在非常不同的技術上(一個是矽電晶體,另一個是神經元與突觸),因此很難做同質化的比較,但大致說來,科學家認為人腦的運算能力可能相當於每秒執行1千兆次運算,而且有至少1千兆位元組的儲存容量。

然而,人腦只消耗大約20瓦的功率,而且全裝進你我的腦袋裡。拿今天常見的筆記型電腦來比較,筆電的耗電量大致相同,但處理能力及記憶體都只有人腦的百萬分之一。此外,筆電(至少現今的筆電)沒辦法學會新的人類語言、看看世界認識萬物、自我編程、做人類輕易就能做到的其他許多事情。筆電也不會對自己說:「我思,故我在。」

因此工程師看了看人腦,就想問:「有沒有辦法複製這種運算架構?」複製人腦在許多方面是有益處的,若能複製得夠相近,理論上工程師和科學家也就能複製意識、人類學習能力及其餘的能力。

那麼他們可以怎麼做呢?有一種方法是用超級電腦執行完整的軟體模擬。人腦約有860億個神經元與100兆個突觸─若以目前的技術來模擬,這個數量很嚇人,但仍是可以想像的,而且一年比一年容易想像。也許我們需要一部每秒可執行1百萬兆次運算的超級電腦來做這件事?

組裝出充分的硬體是其中一環,弄懂模擬神經元如何彼此連結是另一個。我們還必須讓一切東西實際運轉。人類至今連昆蟲的簡單神經網路都還沒有模擬出來。

目前歐洲有「人腦計畫」(Human Brain Project),美國有「推進創新神經技術腦部研究」(Brain Research Through Advancing Innovative Neurotechnologies)計畫,希望科學家和工程師在十年內能夠破解我們的這顆腦袋。

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