擴散型憶阻器帶來類腦計算大突破，或成神經計算機時代「晶體管」

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翻譯：聞菲

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【新智元導讀】馬薩諸塞大學阿默斯特分校研究人員研發出一種新型憶阻器，能夠忠實模擬生物神經元突觸的功能，相關論文日前在《自然-材料》發表。實驗證明，與傳統的漂移型憶阻器一起使用，該裝置展現出一些重要的突觸功能，包括短期和長期的可塑性。北京大學計算機科學技術系系主任黃鐵軍博士評論稱，馬薩諸塞州阿姆赫斯特大學在神經形態器件研製方面很強，配上8月份IBM蘇黎世的神經元，神經形態計算最重要的兩個器件就到位了，如果可行，堪稱神經計算機時代的「晶體管」。

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隨著微電子晶元的集成度和性能遵循摩爾定律快速地提高，基於互補金屬氧化物半導體（CMOS）工藝的傳統存儲技術逐漸接近物理極限，計算機的「存儲牆」問題愈發嚴峻。憶阻器的出現給研究者製造存儲容量更大、處理速度更快的計算機帶來了希望。憶阻器是一種非線性的無源兩埠動態器件，它的電阻值依賴於所輸入電流或電壓的歷史。

擴散型憶阻器，真正的突觸模擬器

該研究的其中一位負責人、馬薩諸塞州阿姆赫斯特大學電氣和計算機工程教授 Joshua Yang 表示，過去人們使用像晶體管和電容這樣的裝置模擬突觸動力學，雖然有用，但這些裝置與真正的生物系統相去甚遠，不能算是有效的模擬。實際上，傳統馮諾依曼結構的計算機使用的裝置體積更大、能耗更多，而且保真度較低。

發表在《自然-材料》上的這篇論文叫做《使用擴散動力學的憶阻器作為神經形態計算突觸模擬器》（Memristors with diffusive dynamics as synaptic emulators for neuromorphic computing）。

「我們的設備可以用更自然、直接和保真度高的方式模擬突觸，不僅模仿突觸的一種功能，還模擬突觸其他重要的功能，甚至可以把多種功能結合在一起。」Yang 表示。

在生物系統中，當神經衝動從軸突傳導到末端時，突觸前膜透性發生變化，膜上的鈣離子通道打開，大量鈣離子湧入突觸，觸發神經遞質的釋放，通過神經遞質的作用，神經衝動通過突觸從一個神經元傳導到另一神經元。

研究中所描述的「擴散型憶阻器」由一片嵌入了納米銀顆粒的氮氧化硅膜構成，放在兩個電極之間。氮氧化硅膜是絕緣體，但通電以後，在熱力和電力的作用下，膜上排列整齊的銀粒子位置開始打散，逐漸擴散，透過薄膜，最終形成一簇簇的導電細絲，能夠把電流從一個電極傳到另一個電極。關掉電源後，溫度下降，納米銀顆粒會重新排列整齊。

研究人員表示，這一過程非常與鈣離子在生物突觸中的表現十分類似，因此該裝置可以模擬神經元的短期可塑性。高頻率的低壓脈衝序列將逐漸增加裝置的導電性，直到電流可以通過，但如果脈衝持續，電導率最終將會降低。

研究人員表示，當前大多數使用憶阻器模擬神經突觸的設計都沒有應用擴散動力學，除非有電容很大的互補金屬氧化物半導體（CMOS）計算機模擬亞閾值。

他們在論文的摘要里寫道，「我們提出並論證了一個受生物啟發的模擬擴散動力學的解決方案，與 CMOS 方法有著本質上的不同，但又與突觸有著極大的相似。具體說，我們研發了一種擴散型的憶阻器，其原子擴散的方式和所需的時間與生物突觸傳導神經遞質的過程更為相似，因此，研究實現了對生物突觸的忠實模擬，創造出了真正的突觸模擬器。」

研究人員表示，他們採用的方法不僅提供了忠實地模擬了生物突觸的工作原理，還具有其他的一些特徵，比如鈣離子濃度變化、移動物體的耗盡效應，以及各種不同但卻彼此相互反應的物質之間的動態平衡。「這讓我們更進一步地抓住了此前沒有展示過的突觸功能的本質。」

研究人員還用將擴散型憶阻器和常規的依賴電場的漂移憶阻器結合在一起使用，結果發現可以展示出脈衝計時相關可塑性（STDP），STDP 根據脈衝時間調整神經元之間的連接強度。

精確再現突觸可塑性是創造類腦計算機必不可少的條件。以前也有研究只使用漂移憶阻器模擬鈣離子的動態。但 Yang 表示，這些憶阻器是基於物理過程，不同於生物突觸，因此保真度和各種可能的突觸功能都有很大的限制。Yang 表示，「擴散型憶阻器幫助漂移型憶阻器產生了類似真正突觸的行為，結合使用這兩種憶阻器帶來了 STDP 的天然示範，而 STDP 是長期可塑性學習規則的重要因素。」

神經形態計算最重要的兩個器件湊齊

今年 8 月，IBM蘇黎世研究中心製成了世界首例納米隨機相變神經元。相變神經元信號傳輸速度很快、功耗很低，而且在相同的輸入信號下，多個相變神經元的輸出會有輕微的不同，而這正是生物神經元的特性。

IBM 蘇黎世研究院的研究人員利用相變存儲材料，製作的隨機興奮神經元。兩邊微小的方形是電極的導電板，很尖的探針觸碰到導電板，讓相變材料回應神經信號輸入。每組探針都能接觸到100個細胞組成的一個集群。來源：IBM研究院

IBM 研究人員已經將好幾百個這樣的人造神經元構成集群，並用這些集群代表快速複雜的信號。不僅如此，每個人造神經元都表現出了很高的耐受性，能夠在 100 Hz 的頻率下運行好幾年。每個神經元的能耗都少於 5 皮焦，平均能耗少於 120 微瓦。相比之下，60瓦的電燈泡需要消耗 6000萬微瓦。

現在，研究人員又製造出了擴散型憶阻器，相比傳統的 CMOS 方法有著極大的改善。論文所描述的擴散型憶阻器將帶來能量消耗大幅減少。

北京大學計算機科學技術系系主任黃鐵軍博士評論稱，馬薩諸塞州阿姆赫斯特大學在神經形態器件研製方面很強，配上8月份IBM蘇黎世的神經元，神經形態計算最重要的兩個器件就到位了，如果可行，堪稱神經計算機時代的「晶體管」。1946年第一台計算機 ENIAC 研製成功，同年馮·諾依曼提出經典體系結構，1947年底貝爾實驗室發明晶體管，開啟了經典計算機70年的輝煌。歷史似乎在重複，今年以來，歐洲兩台神經形態計算系統 BrainScaleS 和SpiNNaker正式上線運行，8 月 IBM 宣布研製成功人工神經元，10 月擴散憶阻器如果在人工突觸白熱化競爭中勝出，神經計算機就有了自己的「晶體管」，神經計算機時代就將正式開啟，計算機第二次革命就真的發生了。

10 月 18 日，2016 世界人工智慧大會，英國伯明翰大學計算機學院教授，英國伯明翰大學計算智能與應用研發中心主任，IEEE 計算智能學會副主席姚新將發表演講，探討《類腦計算被忘卻的三個問題》。

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