麻省理工學(xué)院的工程師們設(shè)計了一種比紙屑還小的“腦芯片(brain-on-a-chip)”，它由成千上萬個人工大腦突觸(稱為憶阻器)組成。憶阻器【記憶電阻器】是一種硅基元件，可以模擬人類大腦中的信息傳遞突觸。它是一種很有前途的神經(jīng)形態(tài)設(shè)備的新型記憶電阻設(shè)計——基于一種新型電路的電子產(chǎn)品，這種電路以一種模仿大腦神經(jīng)結(jié)構(gòu)的方式處理信息。這種受大腦啟發(fā)的電路可以被植入小型便攜設(shè)備中，并執(zhí)行只有今天超級計算機(jī)才能處理的復(fù)雜計算任務(wù)。

研究人員借鑒了冶金原理，用銀、銅和硅的合金制造了每一個憶阻器。當(dāng)他們讓芯片執(zhí)行幾項(xiàng)視覺任務(wù)時，芯片能夠“記住”存儲的圖像并多次復(fù)制它們，與使用非合金元素制成的現(xiàn)有憶阻器設(shè)計相比，該版本憶阻器更清晰。

一種新的神經(jīng)形態(tài)“腦芯片(brain-on-a-chip)”的視圖，其中包括成千上萬個憶阻器或存儲晶體管。圖片來源：PengLin

研究人員表示：“到目前為止，人工突觸網(wǎng)絡(luò)以軟件的形式存在。我們正試圖為便攜式人工智能系統(tǒng)構(gòu)建真正的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)硬件。想象一下，把一個神經(jīng)形態(tài)設(shè)備和你車上的攝像頭連接起來，讓它識別燈光和物體，并立即做出決定，而不需要連接互聯(lián)網(wǎng)。我們希望使用高效節(jié)能的憶阻器在現(xiàn)場實(shí)時完成這些任務(wù)?！?/span>

游離的離子

記憶電阻器，或記憶晶體管，是神經(jīng)形態(tài)計算的基本元素。在一個神經(jīng)形態(tài)裝置中，記憶電阻器將充當(dāng)電路中的晶體管，盡管它的工作原理更接近于大腦的突觸【兩個神經(jīng)元之間的連接】。突觸以離子形式從一個神經(jīng)元接收信號，并向下一個神經(jīng)元發(fā)送相應(yīng)的信號。

常規(guī)電路中的晶體管通過僅在兩個值0和1之間切換來傳輸信息，并且僅當(dāng)其接收到的電流形式的信號具有特定強(qiáng)度時才這樣做。相比之下，憶阻器將沿著梯度工作，就像大腦中的突觸一樣。它產(chǎn)生的信號將根據(jù)接收到的信號的強(qiáng)度而變化。這將使單個憶阻器具有多個值，因此比二進(jìn)制晶體管執(zhí)行的操作范圍要大得多。

這種新芯片(左上)有數(shù)以萬計的由銀銅合金制成的人工突觸或“記憶電阻器”。當(dāng)每個憶阻器都被對應(yīng)于灰度圖像中的像素和陰影的特定電壓刺激時，新芯片就復(fù)制出了同樣清晰的圖像，比使用不同材料的憶阻器制造的芯片更可靠。圖片由研究人員提供

就像大腦的突觸一樣，記憶電阻器也能夠“記住”與給定電流強(qiáng)度相關(guān)的值，并在下次接收到類似電流時產(chǎn)生完全相同的信號。這可以確保對復(fù)雜方程式或?qū)ο蟮囊曈X分類的答案是可靠的。

最終，科學(xué)家們設(shè)想，憶阻器將比傳統(tǒng)晶體管需要更少的芯片空間，從而使功能強(qiáng)大的便攜式計算設(shè)備成為可能，這些設(shè)備不依賴于超級計算機(jī)，甚至不需要連接互聯(lián)網(wǎng)。

然而，現(xiàn)有的記憶電阻器設(shè)計在性能上受到限制。單個記憶電阻器由正負(fù)兩個電極組成，兩個電極之間由一個“開關(guān)介質(zhì)”或電極之間的空間隔開。當(dāng)一個電壓被施加到一個電極上，來自那個電極的離子流過介質(zhì)，形成一個“傳導(dǎo)通道”到另一個電極。接收到的離子構(gòu)成憶阻器通過電路傳送的電信號。離子通道的大小(以及憶阻器最終產(chǎn)生的信號)應(yīng)該與刺激電壓的強(qiáng)度成正比。

由麻省理工學(xué)院制造的新型“腦芯片”處理的一張圖像，包括銳化和模糊圖像，這比現(xiàn)有的神經(jīng)形態(tài)設(shè)計更加可靠。圖片由研究人員提供

研究人員表示，現(xiàn)有的憶阻器設(shè)計在電壓刺激較大的導(dǎo)電通道或離子從一個電極到另一個電極的大量流動的情況下效果很好。但是，當(dāng)憶阻器需要通過更細(xì)的傳導(dǎo)通道產(chǎn)生更細(xì)微的信號時，這些設(shè)計的可靠性就會降低。

導(dǎo)電通道越細(xì)，離子從一個電極到另一電極的流動越輕，單個離子就越難保持在一起。相反，它們往往會游離于群體之外，在媒體中解散。因此，當(dāng)受到一定范圍的低電流刺激時，接收電極很難可靠地捕獲相同數(shù)量的離子，從而傳輸相同的信號。

借用冶金學(xué)原理

研究小組通過借鑒冶金學(xué)的技術(shù)找到了一種解決這一局限的方法。冶金學(xué)是一門將金屬熔化成合金并研究其復(fù)合性能的學(xué)科。

傳統(tǒng)上，冶金專家試圖將不同的原子添加到塊狀基質(zhì)中以增強(qiáng)材料。研究人員從中得到啟發(fā)，為什么不調(diào)整憶阻器中的原子相互作用，并添加一些合金元素來控制離子在介質(zhì)中的運(yùn)動？

工程師通常使用銀作為憶阻器正極的材料。研究小組仔細(xì)研究了文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)了一種可以與銀結(jié)合的元素，可以有效地將銀離子結(jié)合在一起，同時允許它們快速流到另一個電極。

研究小組將銅作為理想的合金元素，因?yàn)樗瓤梢耘c銀結(jié)合，也可以與硅結(jié)合。

為了使用他們的新合金制造記憶電阻器，該小組首先用硅制造負(fù)極，然后通過沉積少量的銅和一層銀來制造一個正極。他們將兩個電極夾在非晶態(tài)硅介質(zhì)周圍。通過這種方法，他們制作了一個帶有成千上萬個記憶電阻器的一平方毫米的硅片。

該團(tuán)隊還讓芯片進(jìn)行了一項(xiàng)圖像處理任務(wù)，對憶阻器進(jìn)行編程以改變圖像，包括銳化和模糊原始圖像。他們的設(shè)計比現(xiàn)有記憶電阻器設(shè)計得到了更可靠重新編程的圖像。

與其他材料制成的芯片相比，這種芯片可以產(chǎn)生防護(hù)罩同樣清晰的圖像，并且能夠“記住”圖像并多次復(fù)制它。

研究人員表示：“我們正在使用人工突觸進(jìn)行真實(shí)的推理測試，我們希望進(jìn)一步開發(fā)該技術(shù)，使其具有更大規(guī)模的陣列來執(zhí)行圖像識別任務(wù)。希望有一天，我們可以將它作為人造大腦來執(zhí)行這些任務(wù)，而無需連接到超級計算機(jī)，互聯(lián)網(wǎng)或云?！?/span>

參考

Alloying conducting channels for reliable neuromorphic computing

scitechdaily