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陳根:從人腦本質(zhì)看人工智能,人造突觸創(chuàng)紀錄

/陳根

人工智能是關(guān)于人腦的科學(xué)和科技。

事實上,人腦的本質(zhì),是一個由神經(jīng)元構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。龐大的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)組成了人腦的基本結(jié)構(gòu)負責(zé)處理大部分思維活動的大腦、負責(zé)協(xié)調(diào)運動的小腦以及連接其中的腦干。

人工智能模擬人腦而誕生,比如,早期淺層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)一般表現(xiàn)為:多個輸入層神經(jīng)元負責(zé)接收并加工輸入信息,之后它們將信息上傳至數(shù)量較少的輸出層神經(jīng)元,經(jīng)過綜合加工后作出決策。于是,通過算法的演進,人工智能讓機器在非標準環(huán)境中,綜合記憶與環(huán)境信息,做出自主決策,解決問題

  

但另一方面,人腦也是人類最復(fù)雜的器官。在大腦中,神經(jīng)元之間主要通過突觸溝通,突觸的強度(即溝通的效率)可由可塑性機制調(diào)控。科學(xué)家一直在嘗試開發(fā)像大腦一樣輕巧、節(jié)能且適應(yīng)性強的人工智能(AI),但現(xiàn)有的人工突觸仍無法在超低功率下有效模擬大腦的神經(jīng)可塑性。

現(xiàn)在,一項發(fā)表于《科學(xué)·進展》的研究,研究人員從人腦中獲得靈感,工程師首次將準二維電子氣(2DEG)引入了人工神經(jīng)形態(tài)(neuromorphic)系統(tǒng)。

  

他們開發(fā)了氧化超晶格(oxide superlattice)納米線,讓電子能在納米線提供的二維平面上自由移動,從而形成準2DEG,并以此構(gòu)成了人工突觸。當(dāng)人工突觸暴露在光線下時,氧化超晶格納米線上的自由電子會與周圍的氧分子反應(yīng),從而改變?nèi)斯ね挥|的導(dǎo)電性,模擬了大腦中的突觸可塑性。

特別值得一提的是,每次突觸傳遞事件的能耗低于0.7飛焦耳(fJ),與大腦突觸的能耗幾乎持平。同時,該人工視覺系統(tǒng)可以同時以超低功率執(zhí)行光檢測,實現(xiàn)類腦處理和記憶功能。

此外,由于突觸連接強度的動態(tài)變化,人工突觸能夠處理數(shù)據(jù)和識別模式,更加健壯、可塑和容錯,因此對不確定性信息具有適應(yīng)性。神經(jīng)形態(tài)計算體系結(jié)構(gòu)的所有這些特殊特性使它成為大腦啟發(fā)的技術(shù)應(yīng)用的極大興趣,例如視覺信息處理,其中涉及大量的相互關(guān)聯(lián)的并行數(shù)據(jù)。

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