新原料助力类脑计较 探路“电子大脑”

　　语音辨认、图像辨认、天然说话处理赏罚……连年来，源于人工神经收集观念的深度进修飞速成长，大有挑衅人类唯我独尊的态势。尽量云云，许多业内人士以为，人工智能成长的终极蹊径，离不开在硬件上模仿人脑的“电子大脑”。

　　回收传统硅基晶体管的电路来模仿人脑中的突触可能神经元的成果，不只淹灭大量硬件资源，并且执行信息处理赏罚的进程极其耗能。因此找到吻合的原料，构建出可以模仿人脑运行的类脑器件，以及由这些器件集成的硬件类脑体系，是人工智能可否实现像人脑那样“灵光”的要害。

　　克日，南京大学物理学院缪峰传授团队别离在类脑视觉传感器和可重构类脑电路方面取得重要盼望。这些研究成就颁发在势力巨子期刊《科学·盼望》和《天然·电子学》上。

　　像搭“乐高”一样，搭出类脑视觉传感器

　　“传统的呆板视觉体系必要先探测再处理赏罚，行使的图像传感器在探测方针图像的同时会发生大量冗余信息，此类信息通过有限的带宽再传输至计较机，会导致较大的时刻耽误和较高的功耗。人眼不只可以同时探测、处理赏罚信息，并且整体功耗极低。”缪峰团队成员梁世军副研究员说。

　　人类视觉体系强盛的信息处理赏罚手段，很洪流平上依靠于视网膜的奇异布局和成果。视网膜中的首要细胞包罗感光细胞、双极细胞等，这些细胞之间泛起出垂直分层的布局。

　　光透过瞳孔入射到视网膜上后，感光细胞将入射光转换为电学信号，流经双极细胞，电学信号会获得必然的预加工和处理赏罚。加工后的信息仅仅保存原图像的首要特性，再传输至大脑皮层举办进一步的图像处理赏罚和领略。通过这种方法，视网膜在必然水平上实现了信息探测和处理赏罚的同步举办。

　　“二维原料具有原子的尺寸和有别于传统三维原料的全新物理性子，并且对外界刺激相应迅速。更为风趣的是，二维原料具有很是好的垂直扩展性，我们可以像‘搭乐高’一样，在原子天下里，将性子迥异的多种二维原料凭证差异的次序堆垛，制造出天然界并不存在的新型布局原料。”缪峰说。

　　他的团队回收“原子乐高”的方法，实现了对视网膜布局和成果的模仿。科研职员将二硒化钨、氮化硼以及氧化铝制备成垂直异质结器件，这些垂直布局不只能天然地仿照视网膜的垂直分层布局，并且所包括的差异二维原料还可用来模仿视网膜中差异细胞的成果。

　　“通过节制垂直异质结器件的栅压，我们实现了对感光细胞和双极细胞生物成果的模仿，器件的相应时刻和功耗均靠近人类视网膜的程度——相应时刻小于10毫秒，功耗小于10纳瓦。”缪峰说。

　　打造二维“可重构”器件，让类脑电路“瘦身”

　　今朝，主流的信息处理赏罚技能依靠于冯·诺依曼架构，在这种架构中，数据的存储和计较是分隔举办的。数据在存储和计较单位之间往返“搬运”，会发生较大的延时和较高的功耗，随时有“交通堵塞”的风险。而人脑的神经布局具有强盛的信息处理赏罚手段，纵然做大量的脑力勾当，也只有20瓦阁下的功耗。以是，连年来，科学家们不绝实行回收相同人脑神经元的布局来计划电路，以晋升算力、低落功耗。

　　人脑中神经元之间毗连的部门被称为突触，它不只具有影象的手段，并且可以或许按照所转达的信号，调解转达服从。仿照此类运算模式的类脑电路，可实现数据的并行传送和漫衍式处理赏罚，并可以或许低功耗及时处理赏罚海量数据。

　　“怎样用更少的硬件，实现更多的运算，这必要电路具有可重构的特征。但今朝主流的可重构电路是基于传统的硅基电路，组成这些电路的晶体管器件具有单一的电学特征，一旦制备完成，就无法通过电学操纵实现动态转换。只有通过淹灭大量的晶体管，来构建伟大的电路，才气让电路拥有可重构的计较手段。”缪峰说，他的团队操作二维层状半导体原料二硒化钨，计划出电场可调的二维同质结（ETH）器件，这种器件会示意出8种差异的电流开关状态，从而在器件层面实现了“可重构”的电流开关特征。

　　“在大脑神经体系中，一个神经元必要与多个神经元之间互联来举办信息的转达和处理赏罚，这与传统晶体管器件单一端口的节制方法完全差异，以是拥有多端信号转达和多种电流开关状态的ETH器件，可以用来计划相同大脑的可以或许满意差异信息处理赏罚需求的类脑电路。”缪峰先容，在传统的类脑芯片中，必要淹灭高出10个晶体管，才气模仿生物突触的成果，这在很洪流平上会限定传统类脑芯片的集成度。但研究团队计划的可重构突触电路，仅需操作3个ETH 器件和一个电容元件。

　　缪峰说，这意味着，通过计划电场可调的ETH器件，在确保器件与电路都具有可重组成果的同时，可以大幅低落电路晶体管资源的耗损。“一方面有利于芯片的小型化和成果密度的晋升，另一方面也能低落芯片的整体能耗，有望助力物联网、边沿计较、人工智能等应用的快速成长。”(记者 金 凤)

（编辑：河北网）

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