近日，麻省理工學(xué)院（MIT）的工程師們設(shè)計了一種“大腦芯片”。研究人員所用的芯片物理體積比一片紙屑還要小，但卻被工程師們放置了成千上萬個“人工大腦突觸”，這種被稱為“憶阻器”的硅基元件，能夠模仿人類大腦中信息傳遞的突觸結(jié)構(gòu)。
“微型化”是科技便利生活的重要一環(huán)。試想，有一天，我們可以把龐大的超級計算機(jī)不斷縮小，直到可以把它們裝進(jìn)口袋；我們可以隨身攜帶微型人工智能大腦，它們甚至可以在沒有超級計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)或云計算的情況下運(yùn)行，在它們微不足道的身體里運(yùn)行著龐大的算法。
而這已不單單是觸不可及的幻想。
近日，麻省理工學(xué)院（MIT）的工程師們設(shè)計了一種“大腦芯片”，讓我們向那種未來又邁進(jìn)了一步。研究人員所用的芯片物理體積比一片紙屑還要小，但卻被工程師們放置了成千上萬個“人工大腦突觸”，這種被稱為“憶阻器”的硅基元件，能夠模仿人類大腦中信息傳遞的突觸結(jié)構(gòu)。
這一最新研究成果發(fā)表在近日的《自然納米技術(shù)》雜志上。
研究展示了一種很有前途的新型神經(jīng)形態(tài)器件憶阻器設(shè)計——基于一種新型電路的電子器件，這種電路以模仿大腦神經(jīng)結(jié)構(gòu)的方式處理信息。這種受大腦啟發(fā)的電路可以被植入小型便攜式設(shè)備中，執(zhí)行只有今天的超級計算機(jī)才能處理的復(fù)雜計算任務(wù)。
與其他現(xiàn)有版本的人工大腦突觸相比，這種突觸的性能有所改善，而且可以在一個芯片上進(jìn)行組合。研究人員表示，這一結(jié)果有望幫助開發(fā)出能夠在本地處理復(fù)雜人工智能計算的設(shè)備，同時保持體積小、節(jié)能，而且不需要連接到數(shù)據(jù)中心。
大腦芯片：小型便攜，堪比超算
在這項(xiàng)最新研究中，MIT 工程師們打破用銀作為模擬大腦突觸材料的傳統(tǒng)，改為采用銅銀合金構(gòu)造憶阻器。改造后的新型憶阻器擁有更強(qiáng)的性能，能夠記憶并重現(xiàn)美國隊長盾牌的灰色圖像，并通過銳化和模糊可靠地改變麻省理工學(xué)院基利安法院的圖像。
研究團(tuán)隊表示，他們發(fā)現(xiàn)用銀、銅和硅的合金制造憶阻器，能夠制造出一種毫米見方的硅芯片，上面有成千上萬個憶阻器。而且研究發(fā)現(xiàn)，這種芯片能夠有效地“記住”并重復(fù)回憶非常詳細(xì)的圖像，與之前出現(xiàn)的其他類型的模擬大腦回路相比，“記住”的圖像更加清晰和詳細(xì)。
雖然這些測試看起來并沒有什么技術(shù)含量，但該團(tuán)隊相信，他們這樣的芯片設(shè)計是推動小型便攜式人工智能設(shè)備發(fā)展重要一步，并有望執(zhí)行現(xiàn)在只有超級計算機(jī)才能做到的更為復(fù)雜的計算任務(wù)。
團(tuán)隊的最終目標(biāo)是利用微型技術(shù)重建大型、復(fù)雜的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。麻省理工學(xué)院機(jī)械工程副教授 Jeehwan Kim 表示：“到目前為止，人工突觸網(wǎng)絡(luò)是以軟件的形式存在的。我們正試圖為便攜式人工智能系統(tǒng)構(gòu)建真正的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)硬件�！�
這些神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)目前基于需要大量 GPU 計算能力才能運(yùn)行的軟件，但如果將他們轉(zhuǎn)化成專用硬件，這些微型芯片就可以安裝在小型設(shè)備上，包括手機(jī)或相機(jī)，帶來令人矚目的技術(shù)革新。
“想象一下，將一個神經(jīng)形態(tài)裝置連接到你車上的攝像頭上，讓它識別燈光和物體并立即做出決定，而不需要連接到互聯(lián)網(wǎng)。”
當(dāng)然，麻省理工學(xué)院并不是研發(fā)神經(jīng)形態(tài)芯片的唯一機(jī)構(gòu)。蘋果、谷歌、微軟和英特爾公司都有各自版本的機(jī)器學(xué)習(xí)硬件。英特爾的 Lohi 芯片用 1024 個人造神經(jīng)元模擬大腦。
人工大腦突觸
憶阻器，也稱記憶晶體管，是神經(jīng)形態(tài)計算的基本元素。在神經(jīng)形態(tài)器件中，憶阻器的工作方式更類似于大腦突觸——兩個神經(jīng)元的連接點(diǎn)。大腦突觸能夠從一個神經(jīng)元接收到離子形式的信號，然后向下一個神經(jīng)元發(fā)送相應(yīng)的信號。
傳統(tǒng)電路中的晶體管，只能在兩種狀態(tài)（0或1）之間切換來傳輸信息，并且只有當(dāng)它接收到的電流信號具有一定強(qiáng)度時才這樣做，這是現(xiàn)代計算機(jī)的基礎(chǔ)。
與之不同的是，記憶元件可以提供一個梯度值，這就更像人的大腦的原始雛形。它產(chǎn)生的信號會根據(jù)它接收到的信號的強(qiáng)度而變化。這也就意味著單個憶阻器具有多個值，因此比二元晶體管執(zhí)行范圍更廣的操作。
并且，和大腦突觸一樣，憶阻器也能夠“記住”與給定電流強(qiáng)度相關(guān)的值，并在下一次接收到類似電流時產(chǎn)生完全相同的信號。這可以保證一個在復(fù)雜方程計算中得出準(zhǔn)確無誤的答案，或者擁有可靠的物體的視覺分類——通常，這需要多個晶體管和電容器才能實(shí)現(xiàn)。
然而，現(xiàn)有的憶阻器設(shè)計在性能上是有限的。一個單憶阻器由一個正電極和一個負(fù)電極組成，正負(fù)電極再由一個“開關(guān)介質(zhì)”或電極之間的空間隔開。當(dāng)一個電極被施加電壓時，離子從該電極流過介質(zhì)，形成一個“傳導(dǎo)通道”到另一個電極。接收到的離子構(gòu)成了記憶電阻器通過電路傳輸?shù)碾娦盘�。離子通道的大�。ㄒ约皯涀杵髯罱K產(chǎn)生的信號）應(yīng)與刺激電壓的強(qiáng)度成正比。
傳導(dǎo)通道越薄，從一個電極到另一個電極的離子流動越輕，單個離子就越難保持在一起，而傾向于分離開來。因此，在一定的小范圍電流刺激下，接收電極很難可靠地捕獲相同數(shù)量的離子，從而傳輸相同的信號。
Kim 也表示，現(xiàn)有的憶阻器設(shè)計在電壓刺激一個大的傳導(dǎo)通道或者從一個電極到另一個電極的大量離子流動的情況下可以順利完成工作。但是，當(dāng)憶阻器需要通過更薄的傳導(dǎo)通道產(chǎn)生更微妙的信號時，這些憶阻器就有點(diǎn)力不從心了。
利用“冶金”鑄造新材料
工程師通常使用銀作為憶阻器正極的材料。Kim 說：“傳統(tǒng)上，冶金學(xué)家試圖在大塊基質(zhì)中加入不同的原子來強(qiáng)化材料，我們想，為什么不調(diào)整憶阻器中的原子相互作用，加入一些合金元素來控制介質(zhì)中離子的運(yùn)動�！�
于是，研究人員在這里借用了冶金學(xué)的一個概念：當(dāng)冶金學(xué)家想改變一種金屬的性能時，他們把它與另一種具有所需性能的金屬結(jié)合，制造出一種合金。
研究小組查閱文獻(xiàn)，尋找一種可以與憶阻器正電極的銀結(jié)合的材料，從而使其能夠更穩(wěn)定可靠地沿著非常薄的傳導(dǎo)通道傳遞離子，使銀離子快速流經(jīng)另一個電極。
研究小組將目光鎖定在銅上，因?yàn)殂~能與銀和硅很好地結(jié)合。Kim 說：“它起到了橋梁的作用，穩(wěn)定了銀硅界面�！�
為了用他們的新合金制造憶阻器，研究小組首先用硅制造了一個負(fù)極，然后通過沉積少量銅制造了一個正極，接著是一層銀，再把兩個電極夾在非晶硅介質(zhì)的周圍。就這樣，他們用成千上萬的憶阻器制成了一毫米見方的硅芯片。
在芯片的第一次測試中，他們重現(xiàn)了美國隊長盾的灰色圖像。他們將圖像中的每個像素等同于芯片中相應(yīng)的憶阻器。然后，他們調(diào)整了每個記憶電阻的電導(dǎo)，這些電導(dǎo)的強(qiáng)度與相應(yīng)像素的顏色有關(guān)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與其他材料制成的芯片相比，該芯片能產(chǎn)生同樣清晰的盾牌圖像，并能“記住”圖像，多次復(fù)制。
研究小組還對芯片進(jìn)行了圖像處理，對記憶電阻進(jìn)行編程來改變圖像。在給出的案例中，研究人員采用了幾種特定的方式，包括銳化和模糊原始圖像。同樣，他們的設(shè)計比現(xiàn)有的憶阻器設(shè)計更可靠地產(chǎn)生了重新編程的圖像。
“我們正在使用人工突觸來做真正的推理測試。”Kim 表示：“我們希望進(jìn)一步發(fā)展這項(xiàng)技術(shù)，使其擁有更大規(guī)模的陣列來完成圖像識別任務(wù)。有一天，你就可以攜帶人工大腦來完成這些任務(wù)，而不需要連接到超級計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)或云端。”
資料來源：
MIT fit tens of thousands of artificial brain synapses on a single chip. (n.d.). Engadget. Retrieved June 11, 2020, from https://www.engadget.com/mit-brain-on-a-chip-silver-copper-memristors-183405642.html
Engineers put tens of thousands of artificial brain synapses on a single chip. (n.d.). MIT News. Retrieved June 11, 2020, from http://news.mit.edu/2020/thousands-artificial-brain-synapses-single-chip-0608
MIT’s tiny artificial brain chip could bring supercomputer smarts to mobile devices. (n.d.). TechCrunch. Retrieved June 11, 2020, from https://social.techcrunch.com/2020/06/08/mits-tiny-artificial-brain-chip-could-bring-supercomputer-smarts-to-mobile-devices/
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