科幻小說《三體》中，為了支撐科技的發(fā)展，人類提出了幾種下一代計算機(jī)的方案，其中除了傳統(tǒng)的馮諾依曼架構(gòu)，還包括量子計算機(jī)和生物計算機(jī)。其中量子計算的概念現(xiàn)在已有大量研究，生物計算的研究卻少有報道。

近日，一家瑞士初創(chuàng)公司 FinalSpark 發(fā)布了全球首款生物處理器。據(jù)介紹，它們都是由人腦類器官的生物神經(jīng)元驅(qū)動的，而且已開放了遠(yuǎn)程訪問。

FinalSpark 提出的 Neuroplatform 據(jù)稱是世界上第一個提供體外生物神經(jīng)元訪問的在線平臺，此類生物處理器據(jù)稱「比傳統(tǒng)數(shù)字處理器的功耗低一百萬倍」。

由于摩爾定律的終結(jié)，芯片廠商正在依靠增大功率保持性能提升的節(jié)奏，強(qiáng)性能附加低功耗的特點可能會是生物處理器的潛在優(yōu)勢。

FinalSpark 表示，其 Neuroplatform 能夠?qū)W習(xí)和處理信息，并且由于其低功耗，可以減少計算對環(huán)境的影響。

最近，科技領(lǐng)域業(yè)內(nèi)都在追趕生成式 AI，隨之而來的芯片短缺也在逐漸成為挑戰(zhàn)。更進(jìn)一步，科學(xué)家們甚至還在擔(dān)心大模型的能耗問題。今年 2 月有報道稱，OpenAI 聯(lián)合創(chuàng)始人山姆?奧特曼正在尋求大量資金打造完整的芯片產(chǎn)業(yè)鏈，為此甚至與電力供應(yīng)商進(jìn)行了討論。

有論文得出結(jié)論，訓(xùn)練一個像 GPT-3 這樣的大型語言模型（LLM）大約需要 10GWh—— 大約是歐洲公民平均一年使用的能源的 6000 倍。

隨著生物處理器的成功部署，這樣的能源消耗可能會大幅減少。

免費遠(yuǎn)程訪問，可用 Python 庫操作

在最近發(fā)表在《Frontiers in Artificial Intelligence》的論文中，F(xiàn)inalSpark 介紹了他們所開發(fā)的一個硬件和軟件系統(tǒng)，它允許在較大規(guī)模上進(jìn)行電生理實驗。

論文鏈接：https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/frai.2024.1376042/full

Neuroplatform 使研究人員能夠?qū)ι窠?jīng)類器官進(jìn)行實驗，其壽命甚至超過 100 天。為此，科研人員簡化了實驗過程，可以快速產(chǎn)生新的類器官，全天候監(jiān)測動作電位，并提供電刺激。除此之外，還設(shè)計了一個微流體系統(tǒng)，允許完全自動化的培養(yǎng)基流動和更換，從而減少在孵育器中通過物理干預(yù)造成的干擾，以確保穩(wěn)定的環(huán)境條件。

在過去三年中，Neuroplatform 構(gòu)建了超過 1000 個大腦類器官，收集了超過 18TB 的數(shù)據(jù)。為了方便人們使用，F(xiàn)inalSpark 開發(fā)了一個專門的 API，可以直接通過 Python 庫或使用交互式計算（如 Jupyter Notebooks）進(jìn)行遠(yuǎn)程研究。

除了電生理操作外，API 還控制泵、數(shù)字?jǐn)z像頭和 UV 燈進(jìn)行分子釋放。這允許執(zhí)行復(fù)雜的全天候?qū)嶒?，包括閉環(huán)策略和使用新的深度學(xué)習(xí)或強(qiáng)化學(xué)習(xí)庫進(jìn)行處理。

此外，基礎(chǔ)設(shè)施支持完全遠(yuǎn)程使用。目前在 2024 年，該系統(tǒng)可免費用于研究目的，許多研究小組已經(jīng)開始將其用于他們的實驗。

FinalSpark 公司創(chuàng)始人合影：Fred Jordan 和 Martin Kutter 博士。

Neuroplatform 的生物計算機(jī)基于可以被分類為濕件（Wetware）的架構(gòu)：這是硬件、軟件和生物學(xué)的混合。

該平臺提供的主要創(chuàng)新是通過使用四個多電極陣列（MEAs），其中包含活組織 —— 類器官，它們是大腦組織的 3D 細(xì)胞團(tuán)塊。

FO（前腦類器官）生成和多電極陣列（MEA）設(shè)置。

每個 MEA 包含四個類器官，通過八個用于刺激和記錄的電極進(jìn)行連接。

數(shù)據(jù)通過數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（Intan RHS 32 控制器）來回傳輸，采樣頻率為 30kHz，分辨率為 16 位。

這些關(guān)鍵的架構(gòu)設(shè)計特征由 MEA 的微流體生命維持系統(tǒng)和監(jiān)控攝像頭支持。同樣重要的是，軟件堆棧允許研究人員輸入數(shù)據(jù)變量，然后讀取和解釋處理器的輸出。

軟件設(shè)置

FinalSpark 已向九個機(jī)構(gòu)提供了對其遠(yuǎn)程計算平臺的訪問權(quán)限，以幫助推動生物加工的研究和開發(fā)。通過這些機(jī)構(gòu)的合作，它希望創(chuàng)造世界上第一個活體處理器。

此外，已經(jīng)有三十多家大學(xué)對訪問 Neuroplatform 感興趣。為了訪問 Neuroplatform，教育機(jī)構(gòu)需要為每個用戶訂閱 500 美元 / 月。 

生物芯片「壽命」大約 100 天 

雖然樣機(jī)已經(jīng)完成，在線服務(wù)也已開啟，但這類生物處理器在現(xiàn)實實驗運用中仍存在著一定的局限。現(xiàn)在看起來，壽命是個大問題。

硅芯片可以使用多年，有時甚至幾十年。與此相對，形成生物處理器的神經(jīng)結(jié)構(gòu)雖然也被認(rèn)為有很長的壽命，但 FinalSpark 表示，它們只「適合運行幾個月的實驗」。

最初，該公司的 MEAs 只能持續(xù)幾個小時，但對系統(tǒng)的改進(jìn)意味著類器官的壽命目前預(yù)計約為 100 天。