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脑神经形态芯片取得重大进展,类脑计算机可能在不久的将来诞生

北极蚊子 2018-1-25 10:13

人们把计算机叫作“电脑”,但实际上,目前的电脑相距人脑还是有很大距离的。一直一来,工程师们为了让“电脑”更像人类,不断努力着。其中一个重要突破就是脑神经形态芯片的诞生。

什么是脑神经形态芯片?脑神经形态芯片是由瑞士和美国的神经信息学研究人员携手,首次成功研制出一种新奇的微芯片,能够实时模拟大脑处理信息的过程。

脑神经形态芯片的设计是模拟大脑神经元行为,脑神经形态芯片学会了察言观色,装上它的电脑或机器人,可以更好地与人类交流,甚至完成一些“不可能的任务”。

但是现在横亘在工程师们面前的一块大石头是在构建脑神经形态芯片的任务中,如何实现稳定的突触结构。

近日,类脑计算的发展又迈出了突破性一步:来自麻省理工学院(MIT)的研究人员利用硅锗芯片实现了高度可再现的单通道人工神经突触,克服了非晶态介质的非均匀性缺陷,目前,这项研究已发表在 Nature Materials 上。

为什么类脑计算的发展如此艰难,要弄明白这事儿,你得先看看人类大脑无敌的处理能力。

千万别小看这个只有足球大小的器官,俗话怎么说来着,浓缩的可都是精华。人脑里包含了大约 1,000 亿个神经元。并且在任何时候,一个神经元都可以通过突触传递指令给数以千计的其他神经元,神经递质通过突触进行传播。

大脑中有超过 100 万亿突触负责传导神经元信号,它们会加强一些连接,同时抑制另一些连接,使大脑可以以超快的速度识别模式、记忆事实,并执行其他学习任务。

许多研究表明,人类大脑平均每秒可执行 1 亿亿次操作,所需能量只有 10~25 瓦特。如果让一台超级计算机来完成同样的工作,需要消耗的能量超过人脑的 1,000 万倍。

那么为什么现在的计算机消耗能量如此巨大,处理效率却还底于人脑呢?这就得看执行计算的数字芯片了。目前多数计算机使用的是基于二进制、0/1 信号执行计算的。

比如,我们用 Word 软件来进行文字编辑工作。当写下一句话时,计算机需要将 Word 文档转换成 0 和 1 表示的二进制机器语言,并且从中央处理器的暂存器通过一组数据传输线,转移到其他的物理存储单元。

然后,这些数据会被处理单元转换成字符,并在屏幕上显示。为了防止这句话在计算机电源关闭后消失,表示这个句子的数据又将通过数据线传输并保存到更稳定的非易失性存储器中,例如硬盘。

处理器与存储器之间要进行两次数据交换,因为现阶段的处理器没有存储功能,而存储单元又不能计算。这种处理器与存储器的分工方式是目前计算机的标准做法。

即使在拥有多个处理器、可以进行最快速计算(称为并行计算)的高端计算机中,也是如此。问题在于,对于每个处理器来说,这种存储器与处理器之间的数据交换,限制了处理效率。

与人脑相比,计算机除了能耗巨大,在处理一些模式识别等复杂任务时,比如从街道上嘈杂的汽车声中分辨出狗吠声,计算机也远不及我们的大脑。

为了摆脱这一困境,研究者正试图设计出像人脑一样工作的芯片。与现在基于二进制、0/1 信号执行计算的数字芯片不同,“类脑芯片”的元件将以模拟(analog)方式工作,交换信号梯度或“权重”,非常类似于神经元之间突触交换离子的形式。

这让小型神经形态芯片可以像大脑一样高效处理数以百万计的并行计算流。但是怎样生产人工突触?这事儿可不好解决。

而在最新的这项研究中,MIT 的工程师突破了这项难题。他们设计出了一种人工突触,它可以精确地控制通过自身的电流,就像人脑中的突触控制神经元之间流动的离子一样。

该团队已经构建出一个小型了脑神经形态芯片,它由硅锗制成,并且带有人工突触。工程师们对芯片进行了模拟测试,发现这块芯片和其中的突触可以识别手写文字样本,准确度高达 95%!

大多数脑神经形态芯片的设计是通过由“交换媒介”或类突触空间(synapse-like space)分离开的两个传导层,来试图模仿神经元之间的突触连接。当使用电压时,离子会在“交换媒介”中移动形成导电丝,类似突触的“权重”变化。

但在这项研究中,一个很难突破的障碍就是控制离子流动。这是因为大多数交换媒介是由非晶态材料构成的,离子在其中有无限种可能的通路,所以,现有的交换媒介拥有多个通路,这让我们难以预测离子是如何通过的。这就导致一个致命性问题:突触性能的非均匀性。

工程师说道:“一旦你使用电压代表人工神经元的一些信息,你就必须准备擦除它,并能够用同样的方式进行复写。但在非晶态固体中,当你再次写入时,离子会走向不同的方向,因为材料中有很多缺陷。离子流处于变化中,很难控制。这就是最大的问题——人工突触的非均匀性”。

那么要怎么解决这个难题呢?工程师们把目光聚焦到了人工突触所用的材料。以前的人工突出用的是非晶材料,现在工程师将目光转向了一种由连续有序排列的原子构成的无缺陷导电材料——单晶硅这种单晶硅可预测离子流向。

工程师们便用这种材料制成了人工突触,每个突触的长度约为 25 纳米。然后用这些人工突触构建了脑神经形态芯片。

研究者对每个突触施加电压,发现所有突触都展现了类似的电流或离子流,突触之间的差异大约为 4%——与非晶材料相比,该结构的性能显然好很多。

研究者还多次实验了同一个突触,在 700 次循环实验中施加了相同的电压,结果发现突触呈现了相同的电流,每次循环之间的差异大约为 1%。

工程师表示,“这是人类目前研发出的性状最为一致的芯片,它会是通向人工神经网络的关键”。

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