導(dǎo)讀
近日，瑞典林雪平大學(xué)的科學(xué)家們開發(fā)出一種基于有機(jī)材料的新型晶體管。這種晶體管可以學(xué)習(xí)，并具備短期與長期的記憶功能。這項(xiàng)研究朝著創(chuàng)造模仿人類大腦的技術(shù)邁出了重要一步。
背景
如今，后摩爾時(shí)代已經(jīng)悄然來臨。芯片上的晶體管尺寸縮小與數(shù)量增加的速度正不斷放緩，傳統(tǒng)晶體管正在逼近物理極限，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)正遭遇發(fā)展瓶頸。
為此，各國科學(xué)家正在努力探索各種新方法（例如自旋電子學(xué)）、新材料（例如二維材料、鈣鈦礦）、新架構(gòu)（例如神經(jīng)形態(tài)計(jì)算）以打造性能更佳、能耗更低的新一代計(jì)算機(jī)。
神經(jīng)形態(tài)計(jì)算，也稱為類腦計(jì)算，旨在模仿大腦處理、加工信息的過程，將存儲(chǔ)元件與計(jì)算元件整合到同一芯片中。
神經(jīng)形態(tài)計(jì)算是一種新型計(jì)算架構(gòu)，突破了傳統(tǒng)的馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)帶來的瓶頸：數(shù)據(jù)需要在CPU和內(nèi)存之間來回移動(dòng)，而CPU運(yùn)算速度較快，內(nèi)存訪問速度較慢，即所謂的“內(nèi)存墻”問題。
神經(jīng)形態(tài)計(jì)算是受人腦啟發(fā)而設(shè)計(jì)出來的。人腦處于全方位的互聯(lián)狀態(tài)，其邏輯功能與記憶功能密切關(guān)聯(lián)。據(jù)科學(xué)家稱，人腦的存儲(chǔ)密度與多樣性均是當(dāng)代計(jì)算機(jī)的數(shù)十億倍，目前最發(fā)達(dá)的超級(jí)計(jì)算機(jī)也無法與人腦相提并論。
人腦主要由神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)和突觸組成，可并行處理和存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)，且能耗極低。突觸在人腦中扮演著非常關(guān)鍵的角色。大腦執(zhí)行計(jì)算時(shí)，神經(jīng)元之間會(huì)傳遞電化學(xué)信號(hào)。這些信號(hào)的傳輸受到一個(gè)關(guān)鍵連接結(jié)構(gòu)控制，它就是突觸。
（圖片來源：NIST）
突觸的感受能力，決定了突觸后神經(jīng)元是否會(huì)對(duì)于信號(hào)作出響應(yīng)。如果信號(hào)不夠強(qiáng)，突觸后神經(jīng)細(xì)胞將不會(huì)作出響應(yīng)。發(fā)送的信號(hào)越多，突觸的感受力就越強(qiáng)，這就使得突觸具備了學(xué)習(xí)能力。
（圖片來源：NIST）
為了實(shí)現(xiàn)類似人腦的計(jì)算能力，科學(xué)家們一直在模仿突觸，構(gòu)造具有學(xué)習(xí)功能的器件，其中最主要的就是憶阻器，此外還有超導(dǎo)人工突觸等方案。
憶阻器芯片 (圖片來源：南安普敦大學(xué))
超導(dǎo)人工突觸結(jié)構(gòu)（圖片來源：NIST）
創(chuàng)新
今天，筆者要為大家介紹一種模仿突觸、具有學(xué)習(xí)能力的新器件。
近日，瑞典林雪平大學(xué)的科學(xué)家們開發(fā)出一種基于有機(jī)材料的新型晶體管。這種晶體管可以學(xué)習(xí)，并具備短期與長期的記憶功能。這項(xiàng)研究朝著創(chuàng)造模仿人類大腦的技術(shù)邁出了重要一步。
（圖片來源：Thor Balkhed）
迄今為止，大腦的獨(dú)特之處在于能在之前沒有連接的地方創(chuàng)造連接。在一篇發(fā)表于《先進(jìn)科學(xué)（Advanced Science）》期刊上的論文中，瑞典林雪平大學(xué)的研究人員們描述了一種可以在輸入與輸出之間創(chuàng)造新連接的晶體管。他們將晶體管融入到電子電路中，這種電子電路能將特定的刺激與輸出信號(hào)相聯(lián)系，正如狗的學(xué)習(xí)能力一樣，狗聽到寵物食具準(zhǔn)備好的聲音，就知道食物正在途中。
技術(shù)
普通晶體管的工作機(jī)制就像一個(gè)閥，它可以根據(jù)輸入信號(hào)的特性，放大或者抑制輸出信號(hào)。在研究人員們開發(fā)的有機(jī)電化學(xué)晶體管中，晶體管中的溝道由電聚合的導(dǎo)電聚合物組成。溝道可以形成、生長、縮小，或者在運(yùn)行期間完全消除。它也可以在接收訓(xùn)練之后，對(duì)特定的刺激（特定的輸入信號(hào)）作出反應(yīng)。這樣一來，晶體管溝道就會(huì)變得更加導(dǎo)電，輸出信號(hào)也更大。
北雪平校區(qū)有機(jī)電子實(shí)驗(yàn)室有機(jī)納米電子學(xué)首席研究員 Simone Fabiano 表示：“這正是首次在神經(jīng)形態(tài)裝置中，展示新型電子元件實(shí)時(shí)的形成過程?！?/p>
通過增加晶體管溝道中聚合反應(yīng)的程度，溝道不斷生長，從而增加了傳導(dǎo)信號(hào)的聚合物鏈的數(shù)量。要不然，材料可能會(huì)被過度氧化（施加高電壓），并且溝道會(huì)變得沒有活性。導(dǎo)電性的暫時(shí)改變也能通過“摻雜”或“去摻雜”材料來實(shí)現(xiàn)。
晶體管溝道并不是由有機(jī)電子中最常采用的聚合物（PEDOT）來構(gòu)造，而是由這篇論文作者之一、有機(jī)電子實(shí)驗(yàn)室的 Roger Gabrielsson 采用一個(gè)新開發(fā)的單體（ETE-S）構(gòu)造出來。ETE-S 具有幾個(gè)非常適合這項(xiàng)應(yīng)用的特性：它形成了足夠長的聚合物鏈；它是溶于水的（而聚合物形式不是）；它通過中等程度的摻雜制造出聚合物。聚合物 PETE-S 是通過本征負(fù)電荷摻雜的形式（用于平衡正電荷載流子）制造，它屬于p型摻雜。
價(jià)值
論文作者之一、有機(jī)納米電子學(xué)博士后 Jennifer Gerasimov 表示：“我們展示了，我們可以對(duì)晶體管處理信息的方式引入短期和長期的改變，這對(duì)于模仿大腦細(xì)胞相互通信的方式來說至關(guān)重要。”
通過改變輸入信號(hào)，晶體管響應(yīng)的強(qiáng)度可以在更廣范圍上調(diào)制，并且在之前不存在連接的地方創(chuàng)建連接。它賦予了晶體管可以媲美突觸或者兩個(gè)大腦細(xì)胞之間通信接口。
這也標(biāo)志著朝著采用有機(jī)電子器件的機(jī)器學(xué)習(xí)邁出了一大步?；谲浖娜斯ど窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)，目前在機(jī)器學(xué)習(xí)中用于實(shí)現(xiàn)所謂的“深度學(xué)習(xí)”。軟件需要在巨量節(jié)點(diǎn)之間傳輸信號(hào)以模仿單個(gè)突觸，這具有可觀的計(jì)算功率，因此會(huì)消耗可觀的能量。
Jennifer Gerasimov 表示：“我們開發(fā)了一個(gè)采用電子元件實(shí)現(xiàn)同樣功能的硬件。我們的有機(jī)電化學(xué)晶體管因此可以攜帶成千上萬個(gè)普通的集體管，這些晶體管的能耗接近人腦在兩個(gè)細(xì)胞之間傳輸信號(hào)所消耗的能量?！?/p>
關(guān)鍵字
晶體管、突觸、神經(jīng)形態(tài)計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)、有機(jī)電子
參考資料
【1】https://liu.se/en/news-item/laraktig-transistor-harmar-hjarnan
【2】Jennifer Y. Gerasimov, Roger Gabrielsson, Robert Forchheimer, Eleni Stavrinidou, Daniel T. Simon, Magnus Berggren, Simone Fabiano. An Evolvable Organic Electrochemical Transistor for Neuromorphic Applications. Advanced Science, 2019; 1801339 DOI: 10.1002/advs.201801339
聯(lián)系客服
