一种新型处理器及存储技术的研究

摘要：针对半导体集成处理器在智能机器人中很难处理和模拟人类思维活动的问题，提出了一种新型的处理器及存储理念，该处理器可直接对超大规模的模拟信号进行高速实时处理，以电子井作为最小存储单元，并以电子束形式反应信号变化，产生实时模拟控制信号，为智能机器人处理器的设计提供了一种全新的思路。最后通过一个实例分析了处理器和存储器的工作过程。
关键词：处理器；存储技术；电子井；智能机器人

0 引言
在上个世纪晶体管刚被发明的那几十年里，科学家和工程师们都乐观地预测人类离智能化时代已经不远了，特别是日本的某些研究所更是乐观地认为到了21世纪初那些科幻小说里的场景将会在现实中重演，然而直到如今，世界上大部分的科学家和研究人员不得不承认，在现有知识基础上，短期内是无法实现真正的人工智能的。
人类对于机器人的研究早已有之，但正当各国科学家如火如荼地进行机器人的智能化研究时，在21世纪这个信息爆炸的时期，科学研究似乎遇到了一段极为棘手的瓶颈时期，半导体和布尔代数并没有显示出其万能的一面，全球基本上没有任何一种理论或者算法能赋予机器人生命，也就是说现今机器人除了机械地按照人类设定的程序和指令动作外，不能拥有自我判断能力。但人类并没有因此而放缓研究的脚步，日本一家公司曾从国内大学、公共研究所招聘了20多位脑科学、机器人专业的优秀研究人员，组建了生命力学研究所，专门研究下一代智能机器人。该研究所的5年计划指标是：把世界上脑科学最新理论编制成程序，用100多台计算机并联，处理各种高级信息，并把处理结果用无线技术传输给机器人本体，使之具有自我思考功能，灵活地对应周围环境，进行“人”与自然交流，从而进行自律的智能动作。虽然通过几年的努力取得了不少成果，最终还是以失败告终，仅仅证明了一个结论，人类在现有知识基础上短期内无法研制出拥有自我思考能力的机器人。
处理器作为机器人的心脏，也是整个硬件系统的控制指挥中心，负责对外界信号进行判断、分析、学习，并指挥整个系统的运转，当然需要极高的信息处理能力和智能化。因此，智能机器人发展的关键就在于如何开发出一种信号处理器来模仿人类处理信息的能力，使机器人具有仿人类的大脑。本文提出一种新型的处理器及存储理念，即基于人类大脑处理信息的方法，采用特殊的结构从而能够直接对超大规模的模拟信号进行高速实时处理，以电子井作为最小存储单元，并以电子束形式反应信号变化，产生实时模拟控制信号。

1 对现今半导体集成电路的思考
半导体集成电路和微处理器的出现不仅深刻地改变了电子技术的面貌和原有的设计理论基础，而且成为现代科学技术的重要基础之一，人类曾用它创造出自动化程度极高的各种应用系统。但目前越来越多的科学家们认识到了半导体电路的缺陷，虽然它的速度越来越快，稳定性越来越高，应用领域越来越广，然而当人类试图利用它去攀登人工智能的高峰却只能遭受一次又一次的失败。仅具有2种电平变化的数字电路具有稳定性高和易于处理的特性，这也决定了它需要用二进制信息量转换模拟信号的实际信息。对于信息量不是特别大的应用系统，只要缩短处理器的时钟处理周期就能满足信息的处理和传递，但对于人类思维这种信息量极大和实时性要求极高的处理，数字量的信号很难模拟出高级思维活动，就像ADC／DAC无法精确转换非二进制数一样。现今半导体处理器通过位数来提高精度与运算速度，也就是说简单的整数和复杂的开方数都必须占用同样的位数，占用同样的处理时间。而人类思维是通过一系列的电流传递产生的，这种生物细胞间的电流信号是连续的，但如果换算成二进制信号进行处理，那么人脑的复杂程度将增加无穷倍，如此高精度的人类生物神经都无法处理，更何况没有任何应变能力的数字集成电路了。
所以能高速实时处理大信息量的处理器必须直接对模拟信号做出响应，但是当众多模拟量在单片上集成时，相互间的电磁干扰将使电路无法正常工作，于是用电流取代电压，用电子束取代电流变化，以减轻干扰，并使功耗下降几个数量级，最大限度地满足运算需求。

2 新型信号处理器的框架结构与工作原理
作为一种仿生学的处理器与存储技术都是建立在模拟信号处理的基础上的，模拟信号如通过听觉、视觉、触觉等传感器采集的信号再通过放大、滤波、整形后送入处理器(Processor)，先通过一级转换(Tra)，将电压变化量转换为电流变化量，即转换为电子束信号，以配合处理器的处理，在处理的过程中激活学习功能(Study)，而学习功能区将需要记忆的信号送入可学习区，并通过烧写块(Bypass)将一些数据写入学习记忆区(Learning store)，以备下一次直接调用。图1为处理器的框架示意图。