在整潔的足球大小的器官內(nèi)，大約有1000億個(gè)神經(jīng)元。在任何給定的時(shí)刻，單個(gè)神經(jīng)元可以通過突觸將指令傳遞給數(shù)千個(gè)其他神經(jīng)元 - 神經(jīng)元之間的空間，神經(jīng)遞質(zhì)在神經(jīng)遞質(zhì)之間交換。有超過100萬億個(gè)突觸介導(dǎo)大腦中的神經(jīng)元信號(hào)傳導(dǎo)，在修剪其他人的同時(shí)強(qiáng)化一些連接，使大腦能夠以閃電般的速度識(shí)別模式，記住事實(shí)并執(zhí)行其他學(xué)習(xí)任務(wù)。
新興的“神經(jīng)形態(tài)計(jì)算”領(lǐng)域的研究人員試圖設(shè)計(jì)出像人腦一樣工作的計(jì)算機(jī)芯片。與今天的數(shù)字芯片一樣，基于二進(jìn)制，開/關(guān)信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，“芯片上的大腦”的元素將以模擬方式工作，交換信號(hào)梯度或“權(quán)重”，就像神經(jīng)元以各種方式激活，取決于流過突觸的離子的類型和數(shù)量。
通過這種方式，小型神經(jīng)形態(tài)芯片可以像大腦一樣有效地處理數(shù)百萬個(gè)并行計(jì)算流，這些計(jì)算流目前只有大型超級(jí)計(jì)算機(jī)才能實(shí)現(xiàn)。但是，在這種便攜式人工智能的過程中，一個(gè)重要的障礙就是神經(jīng)突觸，這在硬件中重現(xiàn)起來特別棘手。
麻省理工學(xué)院的工程師現(xiàn)在設(shè)計(jì)了一種人工突觸，它可以精確控制流過它的電流強(qiáng)度，類似于離子在神經(jīng)元之間流動(dòng)的方式。該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)制造出一個(gè)帶有人工突觸的小芯片，由硅鍺制成。在模擬中，研究人員發(fā)現(xiàn)芯片及其突觸可用于識(shí)別手寫樣本，準(zhǔn)確率為95%。
該設(shè)計(jì)于今天發(fā)表在Nature Materials雜志上，是構(gòu)建用于模式識(shí)別和其他學(xué)習(xí)任務(wù)的便攜式低功耗神經(jīng)形態(tài)芯片的重要一步。
該研究由Jeehwan Kim領(lǐng)導(dǎo)，他是1947年機(jī)械工程和材料科學(xué)與工程系的職業(yè)發(fā)展助理教授，也是麻省理工學(xué)院電子與微系統(tǒng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室研究實(shí)驗(yàn)室的首席研究員。他的合著者是麻省理工學(xué)院的Shinhyun Choi(第一作者)，Scott Tan(共同第一作者)，Zefan Li，Yunjo Kim，Chanyeol Choi和Hanwool Yeon，以及亞利桑那州立大學(xué)的Pai-Yu Chen和Shimeng Yu。
道路太多了
大多數(shù)神經(jīng)形態(tài)芯片設(shè)計(jì)試圖使用由“切換介質(zhì)”或突觸樣空間隔開的兩個(gè)導(dǎo)電層來模擬神經(jīng)元之間的突觸連接。當(dāng)施加電壓時(shí)，離子應(yīng)該在開關(guān)介質(zhì)中移動(dòng)以產(chǎn)生導(dǎo)電細(xì)絲，類似于突觸的“重量”如何變化。
但是現(xiàn)有設(shè)計(jì)中很難控制離子流動(dòng)。Kim說這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)由非晶材料制成的開關(guān)介質(zhì)都有無限可能的離子可以通過的路徑 - 有點(diǎn)像Pachinko，一種機(jī)械街機(jī)游戲，通過一系列的針和杠桿向下漏斗小鋼球，將球轉(zhuǎn)移或引導(dǎo)出機(jī)器。
與Pachinko一樣，現(xiàn)有的交換介質(zhì)包含多條路徑，這使得難以預(yù)測(cè)離子將通過的位置。金說，這會(huì)在突觸的表現(xiàn)中產(chǎn)生不必要的不??均勻性。
“一旦你用人工神經(jīng)元施加一些電壓代表一些數(shù)據(jù)，就必須擦除并能夠以完全相同的方式再次寫入它，”Kim說。“但是在無定形固體中，當(dāng)你再次寫入時(shí)，離子會(huì)向不同的方向發(fā)展，因?yàn)榇嬖谠S多缺陷。這個(gè)流正在改變，很難控制。這是最大的問題 - 人工突觸的不均勻性。“
完美的不匹配
Kim和他的同事們沒有使用無定形材料作為人工突觸，而是研究了單晶硅，這是一種無缺陷的導(dǎo)電材料，由連續(xù)排列的原子排列而成。該團(tuán)隊(duì)試圖通過硅產(chǎn)生精確的，一維的線缺陷或位錯(cuò)，離子可以通過硅預(yù)測(cè)流動(dòng)。
為此，研究人員開始使用硅晶片，在微觀分辨率下類似于雞絲圖案。然后，他們?cè)诠杈敳啃纬闪祟愃频墓桄N圖案 - 一種也常用于晶體管的材料。硅鍺的晶格略大于硅的晶格，Kim發(fā)現(xiàn)，兩種完全不匹配的材料一起形成漏斗狀的位錯(cuò)，形成離子可以流過的單一路徑。
研究人員制作了一個(gè)神經(jīng)形態(tài)芯片，由人工突觸組成，由硅鍺制成，每個(gè)突觸的長度約為25納米。他們對(duì)每個(gè)突觸施加電壓，發(fā)現(xiàn)所有突觸都表現(xiàn)出或多或少相同的電流或離子流，突觸之間的差異約為4% - 與非晶材料制成的突觸相比，性能更加均勻。
他們還在多次試驗(yàn)中測(cè)試了單個(gè)突觸，在700個(gè)周期內(nèi)施加相同的電壓，發(fā)現(xiàn)突觸顯示出相同的電流，周期與周期之間僅有1%的變化。
“這是我們可以實(shí)現(xiàn)的最統(tǒng)一的設(shè)備，這是展示人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵，”Kim說。
作為最后的測(cè)試，Kim的團(tuán)隊(duì)探索了它的設(shè)備在執(zhí)行實(shí)際學(xué)習(xí)任務(wù)時(shí)的表現(xiàn) - 特別是識(shí)別手寫樣本，研究人員認(rèn)為這是神經(jīng)形態(tài)芯片的第一個(gè)實(shí)際測(cè)試。這種芯片將由“輸入/隱藏/輸出神經(jīng)元”組成，每個(gè)神經(jīng)元通過基于細(xì)絲的人工突觸連接到其他“神經(jīng)元”。
科學(xué)家認(rèn)為，這樣的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)堆?？梢员?ldquo;學(xué)習(xí)”。例如，當(dāng)輸入一個(gè)手寫的“1”輸入，輸出標(biāo)記為“1”時(shí)，某些輸出神經(jīng)元將被輸入神經(jīng)元激活和人工突觸的重量。當(dāng)手寫的“1”的更多示例被饋送到同一芯片中時(shí)，相同的輸出神經(jīng)元可以在它們感知相同字母的不同樣本之間的相似特征時(shí)被激活，從而以類似于大腦的方式“學(xué)習(xí)”。
Kim和他的同事們運(yùn)行了一個(gè)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)模擬，該網(wǎng)絡(luò)由三層通過兩層人工突觸連接的神經(jīng)層組成，其特性基于實(shí)際神經(jīng)形態(tài)芯片的測(cè)量結(jié)果。他們從神經(jīng)形態(tài)設(shè)計(jì)師常用的手寫識(shí)別數(shù)據(jù)集中模擬了數(shù)萬個(gè)樣本，并發(fā)現(xiàn)他們的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)硬件在95%的時(shí)間內(nèi)識(shí)別出手寫樣本，而現(xiàn)有軟件算法的準(zhǔn)確率為97%。
該團(tuán)隊(duì)正在制作一個(gè)可以執(zhí)行手寫識(shí)別任務(wù)的工作神經(jīng)形態(tài)芯片，而不是模擬但實(shí)際上。Kim表示，除了筆跡外，該團(tuán)隊(duì)的人工突觸設(shè)計(jì)將能夠?qū)崿F(xiàn)更小巧，便攜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，這些設(shè)備可以執(zhí)行目前只有大型超級(jí)計(jì)算機(jī)才能實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜計(jì)算。
“最終我們想要一個(gè)像指甲一樣大的芯片來取代一臺(tái)大型超級(jí)計(jì)算機(jī)，”金說。“這開辟了生產(chǎn)真正人造硬件的踏腳石。”
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