專訪虎媽的爸爸、憶阻器之父蔡紹棠
在 ASC19 超算總決賽期間，4月24日舉辦的“第21屆HPC Connection Workshop國際超算高峰論壇”上，蔡紹棠教授發(fā)表了超算與憶阻器的演講。（攝影：邸利會）
撰文 | 邸利會
“虎媽”這個名號可能很多人都知道，她曾因?yàn)閷懥艘槐窘逃优臅痘寫?zhàn)歌》（Battle Hymn of the Tiger Mother）在歐美引起巨大爭議——很多華人認(rèn)為是習(xí)以為常的教育方式，在一般的美國人看來是過于嚴(yán)格了。
虎媽是耶魯?shù)姆▽W(xué)教授，能培養(yǎng)出這樣一位女兒，想必她的父親也不簡單。事實(shí)上，她的父親的確很厲害。
她的父親Leon Ong Chua（中文名蔡紹棠），是伯克利的教授，他在非線性線路理論和細(xì)胞式類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論上有很大的貢獻(xiàn)，他發(fā)明的“蔡氏線路”第一次在實(shí)際中演示了混沌現(xiàn)象，而且他在1971年的文章中預(yù)測了憶阻器的存在，37年后，由惠普的一個研究小組得以實(shí)現(xiàn)，實(shí)際造出了這一器件，他被稱為“憶阻器之父”。
在今年4月21-25日于大連理工大學(xué)舉行的2019 ASC世界大學(xué)生超級計(jì)算機(jī)競賽總決賽中，Leon作為大賽評委以及國際超算高峰論壇的演講人也受邀出席，借此機(jī)會，《賽先生》采訪了Leon教授，就當(dāng)下火熱的深度學(xué)習(xí)、類腦計(jì)算、憶阻器的發(fā)展甚至如何教育子女，詢問了他的看法。
在4月25日的2019 ASC世界大學(xué)生超級計(jì)算機(jī)競賽總決賽頒獎典禮結(jié)束后，蔡紹棠教授接受了《賽先生》的獨(dú)家專訪。
賽先生：今天我們談人工智能，會認(rèn)為卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Convolutional neural network, CNN）是一個基石，但很多研究者也在研究類腦計(jì)算，你怎么看待如此不同的兩種途徑，誰可以通向真正的人工智能？
Chua: CNN是否代表了未來？我想還需要再看幾年。現(xiàn)在，能看到發(fā)表出來的一些好的結(jié)果，但炒的太熱了。這些做的好的是一些簡單的情形，即使是這些簡單情形，依然不夠?qū)嵱?，消耗了大量的金錢、能量和時間，學(xué)一些簡單的任務(wù)就需要好幾周、好幾個月來學(xué)，整個過程是很昂貴和耗時的。
隨著對大腦認(rèn)識的逐步深入，我覺得真正的人工智能才剛剛開始?，F(xiàn)在，沒有人真正知道大腦是如何工作的，沒有人知道為什么深度學(xué)習(xí)有效果，它就是有效果，不像之前那樣能解釋原因。如果能解釋的話，就能證明，但現(xiàn)在還沒有這樣的知識。深度學(xué)習(xí)是實(shí)驗(yàn)上有效果，短時間內(nèi)好像不太能找到原因（為什么有效果）。
即使（可解釋）最后得到了解決，實(shí)際中，訓(xùn)練模型、找到最佳的參數(shù)，也是得花很長時間才能找到答案。因?yàn)樵趪迳蠙C(jī)器戰(zhàn)勝了人類，深度學(xué)習(xí)獲得了大眾關(guān)注，令人印象深刻，但也是得花很大的能量、時間去訓(xùn)練一個人工智能的棋手。
CNN是有效果的，但不實(shí)用，這是我現(xiàn)階段能說的。
我想類腦計(jì)算是未來的方向。不過，這取決于兩個方面的同步發(fā)展，一是發(fā)展神經(jīng)形態(tài)算法（neuromorphic algorithms），二是發(fā)展能實(shí)現(xiàn)這些算法的設(shè)備。
因?yàn)榧词鼓阌欣碚?，依然需要花時間（才能得到結(jié)果），但如果你有設(shè)備，就像我今天提起的憶阻器，因?yàn)槲覀冋劦氖欠浅？斓奶幚?，不存在?jì)算，（就會很快）。我們今天所有人工智能做的計(jì)算，都得計(jì)算機(jī)花很長時間來解方程。如果你用憶阻器作為一個重要部件，那就不會是解什么方程，它就是方程本身， 芯片自身、設(shè)備自身，方程就是答案。
首先，憶阻器非常小，如果要像腦一樣處理，必須得小；第二，消耗的能量必須少，憶阻器消耗一點(diǎn)點(diǎn)能量，而且很快。今天符合這兩點(diǎn)的（其他設(shè)備）還不存在，它們都需要用超級計(jì)算機(jī)去緩慢地解方程。
賽先生：細(xì)胞式類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Cellular neural networks，CNN），也稱作CNN，和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有什么關(guān)系？
Chua: 你可以說，深度學(xué)習(xí)是幾種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一般化。細(xì)胞式類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是我大約35年前發(fā)明的， 第一本書就叫做《細(xì)胞式類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)》，甚至基本的方法在我的書里叫做模版（templates），人們或許不知道，因?yàn)槟莻€時代不是人工智能的時代。有意思的是，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和細(xì)胞式類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是同一個名字，但CNN這個詞首次出現(xiàn)時，CNN電視臺說我抄襲了他們，差點(diǎn)起訴我，然后我給他們一篇論文說，我們是比你們早的，早于伊拉克戰(zhàn)爭，我是第一個用CNN的，如果你仔細(xì)看卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方程，實(shí)際上是細(xì)胞式類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一般化。
賽先生：和我們分享一下1983年發(fā)明蔡氏電路的故事？
Chua: 那是一個非常重要的進(jìn)展，在七八十年代的時候，大家對混沌很有興趣，基本的論文是來自MIT的一位數(shù)學(xué)家Edward Norton Lorenz，他是第一個提出一個非常簡單的非線性的方程，如果用計(jì)算機(jī)去解，答案是混沌的。通常，答案的解是周期性的。我們想象自然也是周期性的。如果是非常的非線性，可能結(jié)果就永遠(yuǎn)不是周期性的，那就必須持續(xù)永遠(yuǎn)進(jìn)行下去，這叫做混沌。
這是一個非常基本的發(fā)現(xiàn)，之后幾百篇論文相繼發(fā)表，但都是從數(shù)學(xué)角度的，沒有人用一個實(shí)際的機(jī)制或者說是機(jī)器可以真的看到混沌。我決定發(fā)明這種線路，希望能實(shí)現(xiàn)，第一，這是混沌的，第二，當(dāng)數(shù)學(xué)上解決的話，能給出觀察。這樣，我就說服了所有人，混沌不僅僅是一個數(shù)學(xué)的概念，混沌是真的。
我知道，這樣一個線路必須是非線性的，必須有至少三個動力要素，比如2個電容，1個電感。我決定設(shè)計(jì)這樣的電路，不僅能表現(xiàn)混沌，而且是最簡單的，如果不是最簡單的，人們會感到害怕。因?yàn)槲业谋尘笆欠蔷€性電路理論，所以我知道怎么做。
這是第一個這樣的線路，我發(fā)明了它，而且迄今還是最廣泛使用的，最簡單的。在其他的一些實(shí)際的系統(tǒng)，甚至是機(jī)械系統(tǒng)中，人們也發(fā)現(xiàn)有線路有混沌，但都太復(fù)雜了，可我的系統(tǒng)花5美金就可以做一個，非常便宜，也很容易理解。
這就是蔡氏線路，我沒有以自己的名字命名，而是我的一位同事建議，你是第一個做出實(shí)現(xiàn)混沌的線路，建議在發(fā)表文章的時候題目中加我的名字。
賽先生：您預(yù)測存在憶阻器這樣一個東西，37年后才被一個研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)，為什么會經(jīng)歷這么久？
Chua: 在我1971年的論文中，我實(shí)際創(chuàng)造了3個（憶阻器），但這個被物理學(xué)家稱作是對原理的證明（proof of principle），用了一個箱子大的線路，也需要電池，不是特別實(shí)用。要變的實(shí)用，需要用比較簡單的材料造，去掉電池。為什么花了這么長的時間呢？原因是憶阻器要變得有效，必須要很小。
你知道摩爾定律，每兩年的時間，晶體管數(shù)量翻一倍，速度翻一番，價格變成原來的1/2，這樣經(jīng)歷了30多年的時間，但當(dāng)晶體管越來越小，到納米級時，再變小的同時要保持仍然工作就很困難，成本也增加了，因?yàn)槭艿搅肆孔有?yīng)的影響。
而憶阻器的發(fā)展正好是變的越來越小，直到能工作。這就正好挽救了局勢，因?yàn)楸仨毞浅Ｐ?，才能讓憶阻器有效果，這就像大腦一樣，大腦有神經(jīng)元，有突觸，突觸很小。別忘了我們是在納米尺度上討論問題，這就是為什么經(jīng)歷了這么長的時間，要達(dá)到這么小，就得等技術(shù)的發(fā)展，等無法用這樣的技術(shù)造晶體管時，我們就可以用來做憶阻器，憶阻器是越來越小，但會越來越好。
賽先生：在后摩爾時代，我們看到很多技術(shù)在發(fā)展中，比如行業(yè)特定設(shè)計(jì)、量子計(jì)算、3D堆疊，也有新的材料，比如碳納米管等，憶阻器在這片看起來混亂的情形中將扮演怎樣的角色？
Chua: 量子是非常不同的另外一個門類，目前沒有人能建造一個實(shí)用大小的東西，花費(fèi)不菲，主要的應(yīng)用在安全領(lǐng)域。碳納米管、憶阻器以及其他設(shè)備，他們不是互相競爭，而是互相幫助，碳納米管是二十年前的，現(xiàn)在仍然難，是因?yàn)楹茈y在一個實(shí)際的系統(tǒng)中去用。這是憶阻器不一樣的地方，如果你對建造類腦的機(jī)器感興趣，如果要有這樣一個機(jī)器，你必須用憶阻器，因?yàn)槟X是這樣工作的，你想拷貝大腦，至少得有如此行為的器件。
賽先生：說起存儲技術(shù)，您覺得憶阻器、自旋器件、相變存儲、flash等新的存儲，您看好哪一種呢？
Chua: Intel 已經(jīng)在做flash，相變存儲也是一種憶阻器，只是不同的名字，即使是自旋器件也是憶阻器。所有今天的計(jì)算機(jī)，iPhones, 高性能計(jì)算機(jī)都是基于開關(guān)，有高壓，有低壓，有高的電流，低的電流，然后用0和1表示，所有的這些都得需要電，如果沒有電，一切都沒了。憶阻器不需要電，不需要用電壓、電流、充電來表示信息，它用電阻，電阻是一種性質(zhì)，它不需要電才有這個性質(zhì)，性質(zhì)就已經(jīng)在那里了，所以憶阻器是獨(dú)特的，不是易變的。所以，商業(yè)目的的投資就來了。相變存儲是一個這樣的產(chǎn)品，Intel已經(jīng)在出售；富士通，一家日本的公司，已經(jīng)在出售內(nèi)存ReRAM（Resistive random access memory），其實(shí)也是憶阻器。
因?yàn)閼涀杵魇且粋€概念，不是一個發(fā)明，是一個發(fā)現(xiàn)。發(fā)明和發(fā)現(xiàn)是很不一樣的。
最簡單的一個例子，是哥倫布發(fā)現(xiàn)了新大陸，不是發(fā)明了新大陸。發(fā)明是短暫的，因?yàn)闀行碌脑O(shè)備出現(xiàn)，然后舊有的就會被替代。但如果不是哥倫布發(fā)現(xiàn)了新大陸，也總會有人發(fā)現(xiàn)的，因?yàn)樗呀?jīng)在那了。憶阻器是一個概念，是一種發(fā)現(xiàn)，能經(jīng)受時間考驗(yàn)而不變的，我想這個是很根本的不同。這些設(shè)備都是進(jìn)一步的證明，他們都是憶阻器，所有的都是基于電阻作為信息，這是最需要澄清的。
賽先生：請您談一下憶阻器的研究，過去有哪些里程碑，還需要哪些問題需要克服？
Chua: 第一個憶阻器是在我1971年的論文中出現(xiàn)的，然后37年間，沒有發(fā)生什么，我把它稱之為37年的漫長冬天。 2008年，惠普的R. Stanley Williams領(lǐng)導(dǎo)的一個團(tuán)隊(duì)首次造出了一個真實(shí)的憶阻器。他是我的英雄，他復(fù)活了憶阻器，要不然還在沉睡當(dāng)中。當(dāng)惠普在《自然》雜志發(fā)表這個論文后，每個人都很興奮，大量的資金投入，開始著手做。首先，這個文章在《自然》發(fā)表，很多人覺得很重要；第二，這個時候的憶阻器已經(jīng)比較小了，17納米。你知道病毒很小，顯微鏡下都看不到，但最小的病毒才25納米，比病毒還小。上個月剛剛發(fā)表的工作，已經(jīng)有2納米的憶阻器。
賽先生：很多研究者喜歡追逐流行的、熱的題目，他們相信要不出版，要不滅亡，現(xiàn)在有關(guān)AI的論文已經(jīng)成千上萬，您有怎樣的建議？
Chua: 我想首先說的是，深度學(xué)習(xí)是真的，但發(fā)太多論文了。雖然有幾個令人印象深刻的例子，比如阿爾法狗，還有診斷癌癥，這些很重要，但這些并不是深刻的東西，僅僅是暴力求解，只要做的足夠，就會給你一個答案，而且很昂貴。要明白為什么深度學(xué)習(xí)有效，也不是那么容易。
賽先生：我們最后聊一下您的女兒，她或許比您還有名，虎媽。對于如何教育子女，您是怎么看的？
Chua: 如果你想達(dá)成某件讓大家印象深刻的成績，想在眾人中出類拔萃，你就必須努力工作，你不會憑白無故的就獲得一些東西。如果你真的想特別杰出，你還得犧牲。
她的書不是寫怎么培養(yǎng)聰明的孩子，而是寫她自己的故事。她是耶魯?shù)姆▽W(xué)教授，她不需要寫一本那么技術(shù)性的書，她是在休假的時候，沒什么事，就寫了這個故事，她沒說，你們必須學(xué)我，但因?yàn)楣适率钦娴?，所以就引起了關(guān)注。
她有兩個女兒，都很努力，大女兒每天練習(xí)6個小時的鋼琴，在很小的時候，就在卡耐基音樂廳表演鋼琴，要在那個地方表演，那是職業(yè)人士或者天才去的地方。但她女兒不是天才，但因?yàn)榕毩?xí)，就和一個優(yōu)秀的音樂家一樣好，她就被邀請去進(jìn)行表演。這表示，努力工作會產(chǎn)生好的結(jié)果。
當(dāng)然，這引起了很多批評，因?yàn)槊绹撕茏杂?，他們不想孩子工作太努力，但你不能兩邊占便宜（You can't have your cake and eat it）。開始有很多郵件攻擊她，但慢慢的人們明白了，我女兒的原意也不是倡導(dǎo)逼迫，她在電視上也解釋了自己的看法?，F(xiàn)在很多人也轉(zhuǎn)變了他們的看法?，F(xiàn)在這兩個女兒都上了哈佛。
