新的計算硬體需要理論基礎
理論基礎在建立腦構型計算機中的重要性
根據荷蘭格羅寧根大學的一項研究，新的計算硬體需要一個理論基礎。在現今全球範圍內，人們密切關注以非傳統電晶體為基礎的創新材料，這種材料可以製造更節能、類似大腦的計算晶片。然而與傳統電晶體數位計算機的理論基礎相比，當前對於建立類似大腦的計算機沒有確保的理論指南。荷蘭格羅寧根大學認知材料計算研究中心的計算認知材料教授赫伯特·耶格爾（Herbert Jaeger）認為，建立這樣一個理論基礎對於將工程努力應用於新型微晶片是絕對必要的。
傳統與類腦構型計算的差異
當前的計算機依賴穩定的開關，可以為 0 或 1，通常是電晶體。這些數位計算機是邏輯機器，其程式設計也是基於邏輯推理。數十年來，計算機透過進一步微型化電晶體而變得更強大，但這個過程現在已接近物理極限。因此科學家們正在努力尋找新材料，以製造更多功能的開關，使其可以使用不僅僅是 0 或 1 的數位。
然而赫伯特·耶格爾是格羅寧根認知系統和材料中心的一員，該中心致力於研究類腦構型（即類似大腦的）計算機。赫伯特·耶格爾表示與材料科學家緊密合作使他對他們在試圖創造新的計算材料時所面臨的挑戰有了深刻的理解，同時也使他意識到了一個危險的陷阱：在計算系統中，對於非數位化的物理效應沒有確保的理論。我們的大腦不是一個邏輯系統，雖然我們能夠進行邏輯推理，但那只是我們大腦的一小部分。大多數情況下，我們的大腦需要計算如何將手伸向杯子，或者在走廊上與同事打招呼。赫伯特·耶格爾解釋說：“我們大腦所處理的很多訊息處理都是這種非邏輯的連續和動態的東西。在數位計算機中難以形式化。”此外我們的大腦在血壓波動、外界溫度、荷爾蒙平衡等方面都能持續執行。如何創造一臺同樣多功能且穩健的計算機呢？赫伯特·耶格爾對此持樂觀態度：“簡單的答案是：大腦已經證實可以實現這一目標。”
大腦對材料科學家來說是一個靈感來源。耶格爾說：“他們可能會製造一些由數百個原子組成的材料，這些材料會產生振蕩，或者會表現出突發活動。他們會說，‘這看起來就像神經元的工作方式，讓我們構建一個神經網路’。”但他們在這裡缺少重要的知識。“即使是神經科學家也不確切知道大腦是如何工作的。這正是缺乏腦構型計算機理論是一個問題所在。然而這個領域似乎沒有意識到這一點。”在一篇發表於自然通訊雜志的論文中，耶格爾和他的同事 Beatriz Noheda 和 Wilfred G. van der Wiel 提出了一個非數位計算機理論的草圖。他們提議，理論應該使用連續的類比訊號，而不是穩定的 0/1 開關。它還應該應用材料科學家正在研究的大量非標準奈米級物理效應。
建立類腦構型計算機的理論描述
耶格爾從聆聽材料科學家的經驗中得出的另一個結論是，這些新材料的裝置很難製造。耶格爾表示：“如果你製造一百個，它們不會全部都相同。”從這一點來看，這實際上與我們的神經元非常相似，因為我們的神經元也並非全部完全相同。另一個可能存在的問題是，裝置通常很脆弱且對溫度敏感。耶格爾繼續說：“任何一個腦構型計算的理論都應該考慮到這些特性。”重要的是，支撐腦構型計算的理論將不是單一的理論，而將由許多子理論構成。就像數位計算機理論一樣，它是一個存取的子理論層系統。要建立這樣一個理論描述類腦構型計算機，就需要實驗材料科學家和理論模擬者們的緊密合作。耶格爾表示：“電腦科學家必須瞭解所有這些新材料的物理性質，而材料科學家則應該瞭解計算的基本概念。”
橋樑效應：研究領域的合作
正是為了將材料科學、神經科學、計算科學和工程學這些不同群體聚集在一起，才有了格羅寧根大學的認知材料計算研究中心的誕生。耶格爾總結道：“我們都有自己的盲點，而我們知識中最大的空白是類腦構型計算的基礎理論。我們的論文是對如何構建這樣一個理論及如何建立共同語言的首次嘗試。”
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