一種新型處理器及存儲(chǔ)技術(shù)的研究

摘要：針對(duì)半導(dǎo)體集成處理器在智能機(jī)器人中很難處理和模擬人類(lèi)思維活動(dòng)的問(wèn)題，提出了一種新型的處理器及存儲(chǔ)理念，該處理器可直接對(duì)超大規(guī)模的模擬信號(hào)進(jìn)行高速實(shí)時(shí)處理，以電子井作為最小存儲(chǔ)單元，并以電子束形式反應(yīng)信號(hào)變化，產(chǎn)生實(shí)時(shí)模擬控制信號(hào)，為智能機(jī)器人處理器的設(shè)計(jì)提供了一種全新的思路。最后通過(guò)一個(gè)實(shí)例分析了處理器和存儲(chǔ)器的工作過(guò)程。
關(guān)鍵詞：處理器；存儲(chǔ)技術(shù)；電子井；智能機(jī)器人

0 引言
    在上個(gè)世紀(jì)晶體管剛被發(fā)明的那幾十年里，科學(xué)家和工程師們都樂(lè)觀(guān)地預(yù)測(cè)人類(lèi)離智能化時(shí)代已經(jīng)不遠(yuǎn)了，特別是日本的某些研究所更是樂(lè)觀(guān)地認(rèn)為到了21世紀(jì)初那些科幻小說(shuō)里的場(chǎng)景將會(huì)在現(xiàn)實(shí)中重演，然而直到如今，世界上大部分的科學(xué)家和研究人員不得不承認(rèn)，在現(xiàn)有知識(shí)基礎(chǔ)上，短期內(nèi)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)真正的人工智能的。
    人類(lèi)對(duì)于機(jī)器人的研究早已有之，但正當(dāng)各國(guó)科學(xué)家如火如荼地進(jìn)行機(jī)器人的智能化研究時(shí)，在21世紀(jì)這個(gè)信息爆炸的時(shí)期，科學(xué)研究似乎遇到了一段極為棘手的瓶頸時(shí)期，半導(dǎo)體和布爾代數(shù)并沒(méi)有顯示出其萬(wàn)能的一面，全球基本上沒(méi)有任何一種理論或者算法能賦予機(jī)器人生命，也就是說(shuō)現(xiàn)今機(jī)器人除了機(jī)械地按照人類(lèi)設(shè)定的程序和指令動(dòng)作外，不能擁有自我判斷能力。但人類(lèi)并沒(méi)有因此而放緩研究的腳步，日本一家公司曾從國(guó)內(nèi)大學(xué)、公共研究所招聘了20多位腦科學(xué)、機(jī)器人專(zhuān)業(yè)的優(yōu)秀研究人員，組建了生命力學(xué)研究所，專(zhuān)門(mén)研究下一代智能機(jī)器人。該研究所的5年計(jì)劃指標(biāo)是：把世界上腦科學(xué)最新理論編制成程序，用100多臺(tái)計(jì)算機(jī)并聯(lián)，處理各種高級(jí)信息，并把處理結(jié)果用無(wú)線(xiàn)技術(shù)傳輸給機(jī)器人本體，使之具有自我思考功能，靈活地對(duì)應(yīng)周?chē)h(huán)境，進(jìn)行“人”與自然交流，從而進(jìn)行自律的智能動(dòng)作。雖然通過(guò)幾年的努力取得了不少成果，最終還是以失敗告終，僅僅證明了一個(gè)結(jié)論，人類(lèi)在現(xiàn)有知識(shí)基礎(chǔ)上短期內(nèi)無(wú)法研制出擁有自我思考能力的機(jī)器人。
    處理器作為機(jī)器人的心臟，也是整個(gè)硬件系統(tǒng)的控制指揮中心，負(fù)責(zé)對(duì)外界信號(hào)進(jìn)行判斷、分析、學(xué)習(xí)，并指揮整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)然需要極高的信息處理能力和智能化。因此，智能機(jī)器人發(fā)展的關(guān)鍵就在于如何開(kāi)發(fā)出一種信號(hào)處理器來(lái)模仿人類(lèi)處理信息的能力，使機(jī)器人具有仿人類(lèi)的大腦。本文提出一種新型的處理器及存儲(chǔ)理念，即基于人類(lèi)大腦處理信息的方法，采用特殊的結(jié)構(gòu)從而能夠直接對(duì)超大規(guī)模的模擬信號(hào)進(jìn)行高速實(shí)時(shí)處理，以電子井作為最小存儲(chǔ)單元，并以電子束形式反應(yīng)信號(hào)變化，產(chǎn)生實(shí)時(shí)模擬控制信號(hào)。

1 對(duì)現(xiàn)今半導(dǎo)體集成電路的思考
    半導(dǎo)體集成電路和微處理器的出現(xiàn)不僅深刻地改變了電子技術(shù)的面貌和原有的設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)，而且成為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的重要基礎(chǔ)之一，人類(lèi)曾用它創(chuàng)造出自動(dòng)化程度極高的各種應(yīng)用系統(tǒng)。但目前越來(lái)越多的科學(xué)家們認(rèn)識(shí)到了半導(dǎo)體電路的缺陷，雖然它的速度越來(lái)越快，穩(wěn)定性越來(lái)越高，應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣，然而當(dāng)人類(lèi)試圖利用它去攀登人工智能的高峰卻只能遭受一次又一次的失敗。僅具有2種電平變化的數(shù)字電路具有穩(wěn)定性高和易于處理的特性，這也決定了它需要用二進(jìn)制信息量轉(zhuǎn)換模擬信號(hào)的實(shí)際信息。對(duì)于信息量不是特別大的應(yīng)用系統(tǒng)，只要縮短處理器的時(shí)鐘處理周期就能滿(mǎn)足信息的處理和傳遞，但對(duì)于人類(lèi)思維這種信息量極大和實(shí)時(shí)性要求極高的處理，數(shù)字量的信號(hào)很難模擬出高級(jí)思維活動(dòng)，就像ADC／DAC無(wú)法精確轉(zhuǎn)換非二進(jìn)制數(shù)一樣?，F(xiàn)今半導(dǎo)體處理器通過(guò)位數(shù)來(lái)提高精度與運(yùn)算速度，也就是說(shuō)簡(jiǎn)單的整數(shù)和復(fù)雜的開(kāi)方數(shù)都必須占用同樣的位數(shù)，占用同樣的處理時(shí)間。而人類(lèi)思維是通過(guò)一系列的電流傳遞產(chǎn)生的，這種生物細(xì)胞間的電流信號(hào)是連續(xù)的，但如果換算成二進(jìn)制信號(hào)進(jìn)行處理，那么人腦的復(fù)雜程度將增加無(wú)窮倍，如此高精度的人類(lèi)生物神經(jīng)都無(wú)法處理，更何況沒(méi)有任何應(yīng)變能力的數(shù)字集成電路了。
    所以能高速實(shí)時(shí)處理大信息量的處理器必須直接對(duì)模擬信號(hào)做出響應(yīng)，但是當(dāng)眾多模擬量在單片上集成時(shí)，相互間的電磁干擾將使電路無(wú)法正常工作，于是用電流取代電壓，用電子束取代電流變化，以減輕干擾，并使功耗下降幾個(gè)數(shù)量級(jí)，最大限度地滿(mǎn)足運(yùn)算需求。

2 新型信號(hào)處理器的框架結(jié)構(gòu)與工作原理
    作為一種仿生學(xué)的處理器與存儲(chǔ)技術(shù)都是建立在模擬信號(hào)處理的基礎(chǔ)上的，模擬信號(hào)如通過(guò)聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)、觸覺(jué)等傳感器采集的信號(hào)再通過(guò)放大、濾波、整形后送入處理器(Processor)，先通過(guò)一級(jí)轉(zhuǎn)換(Tra)，將電壓變化量轉(zhuǎn)換為電流變化量，即轉(zhuǎn)換為電子束信號(hào)，以配合處理器的處理，在處理的過(guò)程中激活學(xué)習(xí)功能(Study)，而學(xué)習(xí)功能區(qū)將需要記憶的信號(hào)送入可學(xué)習(xí)區(qū)，并通過(guò)燒寫(xiě)塊(Bypass)將一些數(shù)據(jù)寫(xiě)入學(xué)習(xí)記憶區(qū)(Learning store)，以備下一次直接調(diào)用。圖1為處理器的框架示意圖。

    圖2為不可記憶存儲(chǔ)器最小單元電路，E-well為可觸發(fā)電子井，分為：
    (1)觸發(fā)電子井(Trigger E-well)：接收來(lái)自總線(xiàn)的信號(hào)，產(chǎn)生電子束觸發(fā)信號(hào)，此信號(hào)將通過(guò)觸發(fā)通道傳遞至響應(yīng)電子井；
    (2)響應(yīng)電子井(Respond E-well)：接收最近電子井狀態(tài)，產(chǎn)生電子束響應(yīng)信號(hào)，此信號(hào)通過(guò)多級(jí)響應(yīng)最終被處理返回?cái)?shù)據(jù)總線(xiàn)至處理單元；
    (3)監(jiān)測(cè)電子井(Monitor E-well)：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分控活動(dòng)，可被觸發(fā)通道產(chǎn)生信號(hào)觸發(fā)，并將監(jiān)測(cè)信息直接傳回上一級(jí)分控。
    所有電子井均可通過(guò)離子通道進(jìn)行聯(lián)系，而分控可以將信號(hào)以離子形式傳遞至每個(gè)電子井。各個(gè)電子井通過(guò)讀寫(xiě)線(xiàn)與最小中間站聯(lián)系，而每個(gè)中間站又通過(guò)星型連接傳遞數(shù)據(jù)與控制信號(hào)，中間站即‘Ion and Controller’接收來(lái)自上級(jí)的控制信號(hào)，激發(fā)電子井輸出數(shù)據(jù)，并通過(guò)總線(xiàn)輸出。若此時(shí)需處理的信號(hào)為聲音信號(hào)，首先將傳感器傳入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為電子束信號(hào)，然后進(jìn)行分級(jí)處理將信號(hào)轉(zhuǎn)換為編碼信號(hào)，固定存儲(chǔ)區(qū)存儲(chǔ)基本數(shù)據(jù)，當(dāng)接收信號(hào)溢出時(shí)將激活學(xué)習(xí)區(qū)，然后經(jīng)過(guò)判斷是否需要學(xué)習(xí)，如果是則激活學(xué)習(xí)記憶區(qū)Learning store，即通過(guò)圖3所示的電路將信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)。

    學(xué)習(xí)存儲(chǔ)區(qū)比固定存儲(chǔ)區(qū)增加了學(xué)習(xí)電子井(Varied E-well)，接受學(xué)習(xí)控制信號(hào)的輸入，通過(guò)擊穿加入的PN結(jié)來(lái)燒寫(xiě)未處理的記憶區(qū)。

3 實(shí)例分析處理器具體工作原理
    下面以實(shí)例來(lái)說(shuō)明處理語(yǔ)音信號(hào)的具體工作原理。當(dāng)傳感器接收到外界語(yǔ)音信號(hào)如“你好嗎?”時(shí)，則將其轉(zhuǎn)換為隨電壓變化的模擬信號(hào)。包含字節(jié)、語(yǔ)法、音調(diào)、聲音強(qiáng)度等信息，送入處理器，進(jìn)行一級(jí)處理，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電子束。以正弦波為例，開(kāi)始電壓為0，電子束中電子數(shù)量也為0，然后電壓增加，而電子量隨電壓線(xiàn)性增加。
    轉(zhuǎn)換出來(lái)的類(lèi)似量子的信號(hào)將通過(guò)處理器分流，例如“你”由幾個(gè)實(shí)時(shí)電子束組成就分流成幾份，每一份都通過(guò)一個(gè)分控去觸發(fā)下級(jí)電子井，而電子井接收到電子信號(hào)后吸引來(lái)自周?chē)x子通道的游離離子，而接觸到被觸發(fā)電子井對(duì)應(yīng)的響應(yīng)電子井將響應(yīng)此信號(hào)，經(jīng)處理后
輸出同樣為電子束形式的信號(hào)，再通過(guò)語(yǔ)法、音調(diào)等處理單元，將最終結(jié)果輸入處理器，在處理器中利用電子膠卷對(duì)電子束進(jìn)行解析、處理、放大，最終輸出響應(yīng)信號(hào)。
    當(dāng)監(jiān)測(cè)到電子井未收到響應(yīng)信號(hào)時(shí)，將把本信號(hào)流送入學(xué)習(xí)處理單元，在學(xué)習(xí)處理單元設(shè)置應(yīng)對(duì)程序，摒除誤操作，存儲(chǔ)可學(xué)習(xí)信息。

4 結(jié)語(yǔ)
    本文提出了一種用于處理超大規(guī)模實(shí)時(shí)信息量的新型處理器，對(duì)其總體框架進(jìn)行了分析研究，為智能機(jī)器人處理器的設(shè)計(jì)提供了一種新思路。對(duì)于智能機(jī)器人這個(gè)困擾了全世界的難題，它的研究將是持久的。在機(jī)器人領(lǐng)域，人類(lèi)需要研究和探索的路還很漫長(zhǎng)，而機(jī)器人的智能研究到目前為止，還是科學(xué)界一個(gè)不可逾越的鴻溝，無(wú)數(shù)科學(xué)家和世界上的頂尖學(xué)者為此注入了畢生精力，最后卻以失敗告終。本文認(rèn)為目前所面對(duì)的困難只是暫時(shí)性的，當(dāng)人類(lèi)為機(jī)器人設(shè)計(jì)出聰明的大腦后，一切問(wèn)題都將會(huì)迎刃而解，未來(lái)將是一個(gè)嶄新的智能世界。