通過(guò)將單個(gè)突觸晶體管接入神經(jīng)形態(tài)電路當(dāng)中，研究人員證實(shí)這種新型計(jì)算設(shè)備可成功模擬聯(lián)想學(xué)習(xí)能力。
研究人員開(kāi)發(fā)出一種類腦計(jì)算設(shè)備，成功實(shí)現(xiàn)了聯(lián)想學(xué)習(xí)能力。
類似于著名生理學(xué)家巴甫洛夫在狗與食物之間建立起關(guān)聯(lián)，美國(guó)西北大學(xué)與香港大學(xué)的研究人員也成功讓計(jì)算電路意識(shí)到光線與壓力之間的關(guān)系。
該設(shè)備的秘密在于其采用了新穎的有機(jī)電化學(xué)“突觸晶體管”，能夠像人類大腦一樣同時(shí)處理并存儲(chǔ)信息。研究人員證明，該晶體管能夠模仿人類大腦中突觸結(jié)構(gòu)的短期與長(zhǎng)期可塑性，由此隨時(shí)間推移實(shí)現(xiàn)記憶學(xué)習(xí)。
這種新型晶體管與電路有著類似大腦的能力，有望克服傳統(tǒng)計(jì)算的局限性，特別是突破硬件性能與功耗間的內(nèi)生矛盾、以及羸弱的多任務(wù)并發(fā)執(zhí)行能力。此外，這種類腦設(shè)備還擁有更高的容錯(cuò)能力，保證在某些組件發(fā)生故障時(shí)繼續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行。
西北大學(xué)資深研究作者Jonathan Rivnay表示，“盡管現(xiàn)代計(jì)算機(jī)已經(jīng)非常出色，但人腦在某些復(fù)雜且非結(jié)構(gòu)化的任務(wù)(例如模式識(shí)別、運(yùn)動(dòng)控制與多傳感器集成)方面仍然遠(yuǎn)勝計(jì)算機(jī)設(shè)備。這要?dú)w功于突觸結(jié)構(gòu)的可塑性，它們是大腦計(jì)算能力的基本組成部分。這些突觸使得大腦能夠以高度并發(fā)、容錯(cuò)且節(jié)能的方式保持運(yùn)作。在我們的工作中，我們證明可以使用有機(jī)塑料晶體管模擬出生物突觸的關(guān)鍵功能。”
Rivnay是西北大學(xué)麥考密克工程學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程助理教授。此項(xiàng)研究由他和香港大學(xué)機(jī)械工程學(xué)副教授Paddy Chan共同領(lǐng)導(dǎo)。Rivany小組的博士后研究員Xudong Ji則是論文的第一作者。
傳統(tǒng)計(jì)算無(wú)法攻克的難題
傳統(tǒng)數(shù)字計(jì)算系統(tǒng)將處理單元與存儲(chǔ)單元獨(dú)立開(kāi)來(lái)，這就導(dǎo)致數(shù)據(jù)密集型任務(wù)往往要消耗大量電能。受人腦中計(jì)算與存儲(chǔ)統(tǒng)一過(guò)程的啟發(fā)，研究人員近年來(lái)開(kāi)始尋求能像人腦那樣運(yùn)行的計(jì)算機(jī)，并嘗試設(shè)計(jì)類似于神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的功能設(shè)備。
Ji解釋道，“以往的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)會(huì)以物理方式將記憶與邏輯拆分開(kāi)來(lái)。我們?cè)趫?zhí)行計(jì)算時(shí)，信息會(huì)被發(fā)送至內(nèi)存單元;而每當(dāng)需要檢索信息時(shí)，則需要單獨(dú)進(jìn)行調(diào)用。如果能夠?qū)⑦@兩項(xiàng)獨(dú)立的功能結(jié)合起來(lái)，則可以節(jié)約空間并降低能源成本。”
目前，最先進(jìn)的“憶阻器”技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)⑻幚砼c記憶功能組合起來(lái)，但這類元件的成本高昂、且生物相容性較差。面對(duì)這些缺點(diǎn)，研究人員開(kāi)始將目光轉(zhuǎn)向突觸晶體管，特別是有機(jī)電化學(xué)突觸晶體管。這種晶體管擁有工作電壓低、記憶方式連續(xù)可調(diào)等保護(hù)，而且在生物學(xué)應(yīng)用場(chǎng)景下具有良好的兼容性。盡管看似大有希望，但其中的挑戰(zhàn)同樣不少。
Rivnay解釋道，“即使是高性能的有機(jī)電化學(xué)突觸晶體管，也只能將寫(xiě)入操作與讀取操作彼此分離。因此，如果要保留記憶，就必須暫時(shí)斷開(kāi)寫(xiě)入過(guò)程的連接，這會(huì)導(dǎo)致電路或系統(tǒng)中的集成問(wèn)題進(jìn)一步復(fù)雜化。”
突觸晶體管的工作原理
為了克服這些挑戰(zhàn)，西北大學(xué)與香港大學(xué)團(tuán)隊(duì)在有機(jī)電化學(xué)晶體管中優(yōu)化了一種導(dǎo)電塑料材料，可用于捕捉離子。在大腦當(dāng)中，突觸是一種特殊結(jié)構(gòu)，其神經(jīng)元可以使用神經(jīng)遞質(zhì)小分子通過(guò)此結(jié)構(gòu)將信號(hào)傳遞至另一神經(jīng)元。而在突觸晶體管中，離子的定位就類似于神經(jīng)遞質(zhì)，負(fù)責(zé)在端點(diǎn)之間發(fā)送信號(hào)以形成人工突觸。通過(guò)保留來(lái)自捕獲離子的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，晶體管可以記住之前的活動(dòng)，借此長(zhǎng)期保持穩(wěn)定的可塑性。
研究人員將單一突觸晶體管接入神經(jīng)形態(tài)電路，用以模擬聯(lián)想學(xué)習(xí)并展示了設(shè)備的突觸活動(dòng)。他們將壓力與光線傳感器集成至電路當(dāng)中，并訓(xùn)練電路將這兩種互不相關(guān)的物理輸入指標(biāo)關(guān)聯(lián)起來(lái)。
聯(lián)想學(xué)習(xí)中最著名的案例當(dāng)數(shù)巴甫洛夫的狗，它在喂食時(shí)會(huì)自然流下口水。而在訓(xùn)練中刻意將鈴聲同喂食關(guān)聯(lián)起來(lái)之后，狗在每次聽(tīng)到鈴聲后都會(huì)流下口水。對(duì)于神經(jīng)形態(tài)電路，研究人員則通過(guò)指壓方式施加壓力以產(chǎn)生電壓。為了讓電路把光線與壓力關(guān)聯(lián)起來(lái)，研究人員會(huì)先通過(guò)LED光源進(jìn)行脈沖光照射，而后立即施加壓力。在這種情況下，壓力相當(dāng)于食物、光照則相當(dāng)于鈴聲。設(shè)備的傳感器總是連續(xù)檢測(cè)到這兩個(gè)輸入量。
經(jīng)過(guò)一輪訓(xùn)練之后，電路在光照與壓力之間建立起初始連接。經(jīng)過(guò)五個(gè)訓(xùn)練輪次后，電路成功在光照與壓力間形成了顯著關(guān)聯(lián)，從而單憑光照實(shí)現(xiàn)了信號(hào)觸發(fā)——或者說(shuō)“無(wú)條件響應(yīng)”。
未來(lái)應(yīng)用
由于突觸電路采用柔性聚合物(例如塑料)制作而成，因此可以輕松在柔性板材上批量生產(chǎn)，并輕松與生物組織甚至大腦直接集成。這項(xiàng)技術(shù)的未來(lái)應(yīng)用可能包括可穿戴電子設(shè)備、智能機(jī)器人與可植入設(shè)備等。
Rivnay總結(jié)道，“雖然我們的應(yīng)用尚處于概念證明階段，但這種電路確實(shí)擁有廣闊的擴(kuò)展空間，包括引入更多感官輸入、與更多其他電子設(shè)備集成起來(lái)，由此實(shí)現(xiàn)在場(chǎng)低功耗計(jì)算。憑借與生物環(huán)境的良好兼容性，這類設(shè)備可以直接與活體組織接觸，甚至最終為下一代生物電子學(xué)研究打開(kāi)新世界的大門。”
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