腦神經形態晶元取得重大進展，類腦計算機可能在不久的將來誕生

人們把計算機叫作「電腦」，但實際上，目前的電腦相距人腦還是有很大距離的。一直一來，工程師們為了讓「電腦」更像人類，不斷努力著。其中一個重要突破就是腦神經形態晶元的誕生。

什麼是腦神經形態晶元？腦神經形態晶元是由瑞士和美國的神經信息學研究人員攜手，首次成功研製出一種新奇的微晶元，能夠實時模擬大腦處理信息的過程。

腦神經形態晶元的設計是模擬大腦神經元行為，腦神經形態晶元學會了察言觀色，裝上它的電腦或機器人，可以更好地與人類交流，甚至完成一些「不可能的任務」。

但是現在橫亘在工程師們面前的一塊大石頭是在構建腦神經形態晶元的任務中，如何實現穩定的突觸結構。

近日，類腦計算的發展又邁出了突破性一步：來自麻省理工學院（MIT）的研究人員利用硅鍺晶元實現了高度可再現的單通道人工神經突觸，克服了非晶態介質的非均勻性缺陷，目前，這項研究已發表在 Nature Materials 上。

為什麼類腦計算的發展如此艱難，要弄明白這事兒，你得先看看人類大腦無敵的處理能力。

千萬別小看這個只有足球大小的器官，俗話怎麼說來著，濃縮的可都是精華。人腦里包含了大約 1,000 億個神經元。並且在任何時候，一個神經元都可以通過突觸傳遞指令給數以千計的其他神經元，神經遞質通過突觸進行傳播。

大腦中有超過 100 萬億突觸負責傳導神經元信號，它們會加強一些連接，同時抑制另一些連接，使大腦可以以超快的速度識別模式、記憶事實，並執行其他學習任務。

許多研究表明，人類大腦平均每秒可執行 1 億億次操作，所需能量只有 10～25 瓦特。如果讓一台超級計算機來完成同樣的工作，需要消耗的能量超過人腦的 1,000 萬倍。

那麼為什麼現在的計算機消耗能量如此巨大，處理效率卻還底於人腦呢？這就得看執行計算的數字晶元了。目前多數計算機使用的是基於二進位、0/1 信號執行計算的。

比如，我們用 Word 軟體來進行文字編輯工作。當寫下一句話時，計算機需要將 Word 文檔轉換成 0 和 1 表示的二進位機器語言，並且從中央處理器的暫存器通過一組數據傳輸線，轉移到其他的物理存儲單元。

然後，這些數據會被處理單元轉換成字元，並在屏幕上顯示。為了防止這句話在計算機電源關閉後消失，表示這個句子的數據又將通過數據線傳輸並保存到更穩定的非易失性存儲器中，例如硬碟。

處理器與存儲器之間要進行兩次數據交換，因為現階段的處理器沒有存儲功能，而存儲單元又不能計算。這種處理器與存儲器的分工方式是目前計算機的標準做法。

即使在擁有多個處理器、可以進行最快速計算（稱為並行計算）的高端計算機中，也是如此。問題在於，對於每個處理器來說，這種存儲器與處理器之間的數據交換，限制了處理效率。

與人腦相比，計算機除了能耗巨大，在處理一些模式識別等複雜任務時，比如從街道上嘈雜的汽車聲中分辨出狗吠聲，計算機也遠不及我們的大腦。

為了擺脫這一困境，研究者正試圖設計出像人腦一樣工作的晶元。與現在基於二進位、0/1 信號執行計算的數字晶元不同，「類腦晶元」的元件將以模擬（analog）方式工作，交換信號梯度或「權重」，非常類似於神經元之間突觸交換離子的形式。

這讓小型神經形態晶元可以像大腦一樣高效處理數以百萬計的並行計算流。但是怎樣生產人工突觸？這事兒可不好解決。

而在最新的這項研究中，MIT 的工程師突破了這項難題。他們設計出了一種人工突觸，它可以精確地控制通過自身的電流，就像人腦中的突觸控制神經元之間流動的離子一樣。

該團隊已經構建出一個小型了腦神經形態晶元，它由硅鍺製成，並且帶有人工突觸。工程師們對晶元進行了模擬測試，發現這塊晶元和其中的突觸可以識別手寫文字樣本，準確度高達 95%！

大多數腦神經形態晶元的設計是通過由「交換媒介」或類突觸空間（synapse-like space）分離開的兩個傳導層，來試圖模仿神經元之間的突觸連接。當使用電壓時，離子會在「交換媒介」中移動形成導電絲，類似突觸的「權重」變化。

但在這項研究中，一個很難突破的障礙就是控制離子流動。這是因為大多數交換媒介是由非晶態材料構成的，離子在其中有無限種可能的通路，所以，現有的交換媒介擁有多個通路，這讓我們難以預測離子是如何通過的。這就導致一個致命性問題：突觸性能的非均勻性。

工程師說道：「一旦你使用電壓代表人工神經元的一些信息，你就必須準備擦除它，並能夠用同樣的方式進行複寫。但在非晶態固體中，當你再次寫入時，離子會走向不同的方向，因為材料中有很多缺陷。離子流處於變化中，很難控制。這就是最大的問題——人工突觸的非均勻性」。

那麼要怎麼解決這個難題呢？工程師們把目光聚焦到了人工突觸所用的材料。以前的人工突出用的是非晶材料，現在工程師將目光轉向了一種由連續有序排列的原子構成的無缺陷導電材料——單晶硅。這種單晶硅可預測離子流向。

工程師們便用這種材料製成了人工突觸，每個突觸的長度約為 25 納米。然後用這些人工突觸構建了腦神經形態晶元。

研究者對每個突觸施加電壓，發現所有突觸都展現了類似的電流或離子流，突觸之間的差異大約為 4%——與非晶材料相比，該結構的性能顯然好很多。

研究者還多次實驗了同一個突觸，在 700 次循環實驗中施加了相同的電壓，結果發現突觸呈現了相同的電流，每次循環之間的差異大約為 1%。

工程師表示，「這是人類目前研發出的性狀最為一致的晶元，它會是通向人工神經網路的關鍵」。

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