這項(xiàng)設(shè)計(jì)將每個(gè)神經(jīng)元集成到單個(gè)晶體管中，這一飛躍性突破有望使未來(lái)AI硬件體積更小、速度更快、能效更高。

南加州大學(xué)維特比工程學(xué)院與先進(jìn)計(jì)算學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建出能在物理層面真實(shí)再現(xiàn)腦細(xì)胞電化學(xué)活動(dòng)的人工神經(jīng)元。這項(xiàng)研究標(biāo)志著我們向更高能效的類(lèi)腦硬件邁出重要一步，此類(lèi)硬件未來(lái)或可支撐人工通用智能的發(fā)展。

與現(xiàn)有通過(guò)數(shù)字模擬大腦活動(dòng)的神經(jīng)形態(tài)芯片不同，南加州大學(xué)研發(fā)的新型神經(jīng)元運(yùn)用真實(shí)的化學(xué)與電學(xué)過(guò)程進(jìn)行計(jì)算。換言之，它們不僅模擬大腦運(yùn)行機(jī)制，其運(yùn)作方式更接近真實(shí)的腦細(xì)胞。

這項(xiàng)研究由南加州大學(xué)計(jì)算機(jī)與電子工程學(xué)教授、神經(jīng)形態(tài)計(jì)算卓越中心主任Joshua Yang領(lǐng)導(dǎo)。Yang及其團(tuán)隊(duì)基于他們提出的“擴(kuò)散憶阻器”開(kāi)發(fā)出新型人工神經(jīng)元。與傳統(tǒng)硅芯片利用電子運(yùn)動(dòng)不同，這些神經(jīng)元依靠原子運(yùn)動(dòng)來(lái)處理信息。

在人腦結(jié)構(gòu)中，神經(jīng)元通過(guò)電信號(hào)和化學(xué)信號(hào)協(xié)同傳遞信息。當(dāng)電信號(hào)抵達(dá)神經(jīng)元末端的突觸時(shí)，會(huì)轉(zhuǎn)化為化學(xué)信號(hào)向下一個(gè)神經(jīng)元傳遞信息，完成跨越后再次恢復(fù)為電信號(hào)。Yang團(tuán)隊(duì)如今利用氧化物中的銀離子成功重現(xiàn)了這一過(guò)程。

“雖然人工突觸和神經(jīng)元中使用的離子種類(lèi)與生物系統(tǒng)不盡相同，但調(diào)控離子運(yùn)動(dòng)的物理機(jī)制與動(dòng)力學(xué)過(guò)程極為相似?！盰ang解釋道。他進(jìn)一步指出：“銀離子具備良好的擴(kuò)散特性，能提供模擬生物系統(tǒng)所需的動(dòng)力學(xué)行為，使我們能夠以極簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)神經(jīng)元功能。”

這種被稱(chēng)為“擴(kuò)散憶阻器”的設(shè)計(jì)，使每個(gè)人工神經(jīng)元僅需占據(jù)單個(gè)晶體管的尺寸，而傳統(tǒng)設(shè)計(jì)往往需要數(shù)十甚至數(shù)百個(gè)晶體管。Yang表示團(tuán)隊(duì)選擇離子動(dòng)力學(xué)模擬是因?yàn)椤斑@正是人腦的運(yùn)行機(jī)制 —— 作為進(jìn)化史上的優(yōu)勝者，人腦本身就是最高效的智能引擎”。

能效是核心關(guān)鍵

Yang指出當(dāng)前計(jì)算系統(tǒng)的主要問(wèn)題并非算力不足，而是能效低下?！安⒎乾F(xiàn)有芯片或計(jì)算機(jī)算力不足，癥結(jié)在于能效過(guò)低，能耗過(guò)大?！彼忉屨f(shuō)?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)專(zhuān)為海量數(shù)據(jù)處理設(shè)計(jì)，無(wú)法像人類(lèi)那樣通過(guò)少量樣本進(jìn)行學(xué)習(xí)?！疤嵘芰啃逝c學(xué)習(xí)效率的途徑之一，就是構(gòu)建遵循大腦運(yùn)作原理的人工系統(tǒng)?！?/p>

他認(rèn)為離子可能是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵：“離子是比電子更理想的腦原理載體。因?yàn)殡娮淤|(zhì)量輕、狀態(tài)不穩(wěn)定，基于電子的計(jì)算更適合軟件學(xué)習(xí)而非硬件學(xué)習(xí)。”

邁向人工通用智能之路

人腦僅需見(jiàn)過(guò)某物數(shù)次就能學(xué)會(huì)識(shí)別，整個(gè)過(guò)程消耗能量約20瓦。相比之下，當(dāng)今AI系統(tǒng)和超級(jí)計(jì)算機(jī)完成類(lèi)似任務(wù)需要消耗巨大能量。Yang團(tuán)隊(duì)希望他們開(kāi)發(fā)的原子驅(qū)動(dòng)神經(jīng)元能縮小這一差距?！巴ㄟ^(guò)這項(xiàng)創(chuàng)新，每個(gè)神經(jīng)元僅需單個(gè)晶體管的占地空間?！彼榻B說(shuō)。

目前使用的銀材料與標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝不兼容，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃探索其他具有相似性能的離子材料。在成功研發(fā)出緊湊高效的人工神經(jīng)元后，南加州大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)的下一步任務(wù)是構(gòu)建大規(guī)模神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，測(cè)試其與大腦學(xué)習(xí)能力的接近程度。Yang表示，這個(gè)過(guò)程也將幫助科學(xué)家更深入地理解大腦的運(yùn)行機(jī)制。

該項(xiàng)研究成果已登上《自然·電子學(xué)》期刊。

如果朋友們喜歡，敬請(qǐng)關(guān)注“知新了了”！