人腦中有總計(jì)超過 100 萬億的突觸介導(dǎo)大腦中的神經(jīng)元信號(hào)，在加強(qiáng)一些信號(hào)的同時(shí)也削弱一些其它信號(hào)，使大腦能夠以閃電般的速度識(shí)別模式（pattern），記住事實(shí)并執(zhí)行其它學(xué)習(xí)任務(wù)。

最近，麻省理工（MIT）的工程師設(shè)計(jì)了一種人造突觸，可以實(shí)現(xiàn)精確控制流過這種突觸的電流強(qiáng)度，即類似離子在神經(jīng)元之間的流動(dòng)。

圖 | 從左至右：MIT 研究員 Scott H. Tan，Jeehwan Kim，和 Shinhyun Choi。

該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)制造了一個(gè)由硅鍺制成的人造突觸小芯片。在模擬仿真過程中，研究人員發(fā)現(xiàn)該芯片及其突觸可以識(shí)別手寫樣本，其識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到 95%。

研究發(fā)表在《Nature Materials》上，這一成果也被認(rèn)為是邁向用于模式識(shí)別和其它學(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。

一直以來，神經(jīng)形態(tài)計(jì)算領(lǐng)域的研究人員都希望能將人腦的能力“復(fù)制”到計(jì)算機(jī)芯片。這樣的基于人腦的芯片與現(xiàn)在基于二進(jìn)制、開／關(guān)信號(hào)進(jìn)行計(jì)算的數(shù)字芯片非常不同，其元件將以模擬的方式進(jìn)行工作，通過交換梯度信號(hào)或權(quán)重信號(hào)來激活，非常類似神經(jīng)元依靠流過突觸的離子種類和數(shù)量來激活。

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)以百萬計(jì)的并行計(jì)算流，而目前，只有大型超級(jí)計(jì)算機(jī)才有可能實(shí)現(xiàn)這種并行計(jì)算。這種便攜式人工智能技術(shù)目前主要的障礙便是神經(jīng)突觸，這在硬件上實(shí)在難以實(shí)現(xiàn)。

大多數(shù)的神經(jīng)形態(tài)芯片設(shè)計(jì)均試圖模仿神經(jīng)元之間的突觸連接，該連接通過“切換媒介”或類突觸空間隔離的兩個(gè)導(dǎo)電層實(shí)現(xiàn)。當(dāng)施加電壓時(shí)，離子在開關(guān)介質(zhì)中移動(dòng)形成導(dǎo)電絲，類似突觸的權(quán)重將會(huì)改變。

但是，現(xiàn)有設(shè)計(jì)卻很難控制離子的流動(dòng)。設(shè)計(jì)者之一 Kim 說，由于大多數(shù)由非晶材料制成的開關(guān)介質(zhì)中離子通過的路徑有無限種可能，現(xiàn)有的開關(guān)接口包含多條路徑，因此難以預(yù)測離子究竟走哪一條路。

這一點(diǎn)就像機(jī)械街機(jī)游戲 Pachinko，通過一系列的引腳和杠杠將小鋼珠向下引導(dǎo)或轉(zhuǎn)移使小球離開機(jī)器。

圖丨 Jeehwan Kim 教授

Kim 描述道：“一旦你用一些施加的電壓來代表人造神經(jīng)元（傳輸）的某些數(shù)據(jù)，那么你必須能實(shí)現(xiàn)擦除并以完全相同的方式再寫。但在非晶態(tài)固體中，當(dāng)你再次寫入時(shí)，因?yàn)楣腆w中的許多缺陷，離子會(huì)走向不同的方向。因此整個(gè)離子流隨時(shí)在改變，并且不受控制。這就是現(xiàn)在面對(duì)的最大的挑戰(zhàn)——人造突觸的不均勻性?！?/p>

而 Kim 和他的同事們并沒有使用非晶材料來制造人造突觸，他們使用了單晶硅。單晶硅的原子順序有序排列，內(nèi)部并沒有大量缺陷存在。因此，研究小組試圖用單晶硅來制造精確的一維線缺陷或位錯(cuò)，使離子能夠按照預(yù)計(jì)路線沿著位錯(cuò)或缺陷流動(dòng)。