麻省工程師設計出可以模仿腦細胞連接的晶元
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# 本文由 當 投遞譯稿。
對於那些工作在人工智慧領域的人來說，讓電腦模擬大腦活動是一項艱巨的任務，但如果電腦的硬體設計更像大腦，這項任務可能會變得簡單點。
這個新興領域被稱為「神經形態計算」，現在麻省理工學院的工程師們可能已經克服了一個重大的障礙——人造突觸晶元的設計。
人腦遠強於現有的任何計算機，它們包含大約800億個神經元，有超過100萬億個突觸把它們連接起來並控制著信號的傳輸。
目前計算機晶元的工作方式是通過以二進位語言傳輸信號，每一條信息都被編碼為1/0或開/關信號。
那麼與人的大腦相比怎麼樣呢？2013年，世界上最強大的超級計算機之一模擬了大腦的活動，只得到一個非常不起眼的結果。
理研(日本理化學研究所)的K計算機使用了82,944個處理器和1拍位元組(1拍=1024TB=2^50位元組)的主內存，這在當時相當於大約25萬台台式計算機。
K計算機花了40分鐘模擬了10.4萬億個突觸所連接的17.3億個神經元活動的一秒鐘。這可能聽起來很多，但這些神經元和突觸只相當於人腦組織的百分之一。
但是，如果運算晶元使用類似突觸的連接，計算機使用的信號就會更加多樣化，從而實現突觸式的學習。突觸傳導在大腦里流通的信號，並且根據流經突觸的離子的數量和類型而激活神經元。這有助於大腦識別各種模型，記錄信息和執行任務。
迄今為止，複製神經突觸已被證明是很困難的，但麻省理工學院的研究人員現在已經設計出了一種由硅鍺製成的人造突觸晶元，可以精確控制流過人造突觸的電流強度，就像神經元之間的離子流一樣。
在模擬實驗中，它被用來識別手寫字體，準確率高達95%。
的先前設計的「神經形態晶元」使用了由非晶體「開關介質」分隔的兩個導電層，以起到突觸的作用。當接通時，離子流過介質以產生導電細絲以模擬突觸導電的權重或者兩個神經元之間信號的強弱。
這種方法存在的問題是：沒有事先設定好的傳導線路，信號會有無數條路徑可以傳導，這可能會使晶元表現出不穩定性和不可預測。
首席研究員Jeehwan Kim說：「一旦用電壓來代表人造神經元的某些數據，就必須能夠擦除數據，並能夠以完全相同的方式重新寫入數據。
「但是當你再次向非晶態固體晶元寫入數據時的時候，由於它存在很多缺陷，這些離子會向不同的方向流動，電流產生變化了，因此很難去控制。人造突觸的不均勻性是它最大的問題。
考慮到這一點，該團隊創建了蘊含一維通道的硅鍺晶格，可以使離子流過，這確保了每次都使用完全相同的路徑。
這些格子被用來建立一個模擬神經元的晶元;向它施加電壓時，晶元上的所有突觸顯示出相同的電流，誤差僅為4％。
一個突觸被用電壓測試了700次，它電流的變化只有1％，它可以說是最穩定的設備了。
該團隊通過模仿人造突觸的特點，用實際任務測試了該晶元，並將其用於MNIST資料庫(一個手寫數字識別庫，通常用於圖像訓練或處理軟體中)。
他們的人工神經網路含三層人造神經元，其間由兩層人造突觸分隔，能夠識別數以萬計的手寫數字，準確度達到95％，而現有軟體的精確度是97％。
下一步是實際製造一個能夠完成手寫識別任務的晶元，以實現製造攜帶型神經網路設備的最終目標。
Kim說：「我們最終想要一個像指甲一樣大的晶元來代替一個巨大的超級計算機。這(研究)為生產真正的人造[智力]硬體鋪下了一塊踏腳石。」
這項研究已發表在「自然材料」雜誌上。
本文譯自 sciencealert，由譯者 投稿 基於創作共用協議(BY-NC)發布。
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