發(fā)布日期：2016-08-08
編者按：從AlphaGo擊敗李世石，宣布超級(jí)計(jì)算機(jī)攻克了圍棋這一窮舉法不可能征服的領(lǐng)域后，人工智能（AI）又成了所有人最熱門的話題之一。
對(duì)于不少該領(lǐng)域的科學(xué)家而言，人工智能的終極目標(biāo)之一就是用機(jī)器實(shí)現(xiàn)人腦的全部功能，而作為人腦的最小細(xì)胞單位——神經(jīng)元，可能會(huì)是一個(gè)最好的入手點(diǎn)。
美國(guó)當(dāng)?shù)貢r(shí)間8月3日，IBM官方宣布了他們的最新成果——首個(gè)人造神經(jīng)元，可用于制造高密度、低功耗的認(rèn)知學(xué)習(xí)芯片。
IBM蘇黎世研究中心制成了世界上第一個(gè)人造納米尺度隨機(jī)相變神經(jīng)元。IBM已經(jīng)構(gòu)建了由500個(gè)該神經(jīng)元組成的陣列，并讓該陣列以模擬人類大腦的工作方式進(jìn)行信號(hào)處理。
該技術(shù)突破具有重要意義，因?yàn)橄嘧兩窠?jīng)元具有傳統(tǒng)材料制成的神經(jīng)元無(wú)法匹敵的特性——其尺寸能小到納米量級(jí)。此外，它的信號(hào)傳輸速度很快，功耗很低。更重要的是，相變神經(jīng)元是隨機(jī)的，這意味著在相同的輸入信號(hào)下，多個(gè)相變神經(jīng)元的輸出會(huì)有輕微的不同，而這正是生物神經(jīng)元的特性。
人造神經(jīng)元論文的第一作者：托馬斯·圖瑪（Tomas Tuma）
IBM相變神經(jīng)元由輸入端（類似生物神經(jīng)元的樹(shù)突）、神經(jīng)薄膜（類似生物神經(jīng)元的雙分子層）、信號(hào)發(fā)生器（類似生物神經(jīng)元的神經(jīng)細(xì)胞主體）和輸出端（類似生物神經(jīng)元的軸突）組成。信號(hào)發(fā)生器和輸入端之間還有反饋回路以增強(qiáng)某些類型的輸入信號(hào)。
人造神經(jīng)元研發(fā)團(tuán)隊(duì)，圖片來(lái)源：IBM
神經(jīng)薄膜是整個(gè)神經(jīng)元的關(guān)鍵。在生物神經(jīng)細(xì)胞中，起神經(jīng)薄膜作用的是一層液態(tài)薄膜，它的物理機(jī)理類似于電阻和電容：它阻止電流直接通過(guò)，但同時(shí)又在吸收能量。當(dāng)能量吸收到一定程度，它就向外發(fā)射自己產(chǎn)生的信號(hào)。這信號(hào)沿著軸突傳導(dǎo)，被其他神經(jīng)元接收。然后再重復(fù)這一過(guò)程。
在IBM制造的神經(jīng)元中，液態(tài)薄膜被一小片神經(jīng)薄膜取代。神經(jīng)薄膜是由鍺銻碲復(fù)合材料（也稱GST材料）制成的，該材料也是可重寫藍(lán)光光盤的主要功能材料。鍺銻碲復(fù)合材料是一種相變材料，即它可以以兩種狀態(tài)存在：晶體態(tài)和無(wú)定形態(tài)。通過(guò)激光或電流提供能量，兩種狀態(tài)之間可以互相轉(zhuǎn)變。在不同狀態(tài)下，相變材料的物理特性截然不同：鍺銻碲復(fù)合材料在無(wú)定形態(tài)下不導(dǎo)電，而在晶體態(tài)下導(dǎo)電。
在人工神經(jīng)元中，鍺銻碲薄膜起初是無(wú)定形態(tài)的。隨著信號(hào)的到達(dá)，薄膜逐漸變成結(jié)晶態(tài)，即逐漸變得導(dǎo)電。最終，電流通過(guò)薄膜，制造一個(gè)信號(hào)，并通過(guò)該神經(jīng)元的輸出端發(fā)射出去。在一定的時(shí)間后，鍺銻碲薄膜恢復(fù)為無(wú)定形態(tài)。這個(gè)過(guò)程周而復(fù)始。
生物神經(jīng)元與人造神經(jīng)元對(duì)比圖，圖片來(lái)源：IBM
由于生物體內(nèi)各種噪聲的存在，生物神經(jīng)元是隨機(jī)的（Stochastic）。IBM研究人員表示，人工神經(jīng)元同樣表現(xiàn)出了隨機(jī)特性，因?yàn)樯窠?jīng)元的薄膜在每次復(fù)位后，其狀態(tài)有輕微的不同，因此隨后的晶態(tài)化過(guò)程略有不同。因此，科學(xué)家無(wú)法確切地知道每次人工神經(jīng)元會(huì)發(fā)射什么信號(hào)。
那么人工神經(jīng)元到底有何意義？
首先，人工神經(jīng)元采用了成熟的材料，歷經(jīng)幾十億次工作而不損壞（壽命長(zhǎng)），體積極?。ㄓ袌?bào)道說(shuō)是90納米，但從下圖中看應(yīng)該在300納米左右，而論文中表示未來(lái)有望達(dá)到14納米）。因此，這是一種性能非常棒的器件。
人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)。圖中的銀色方塊是放大后的相變神經(jīng)元，該神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)還沒(méi)有配備工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的輸入輸出接口。圖片來(lái)源：IBM
其次，人工神經(jīng)元跟生物神經(jīng)元的工作方式非常類似。當(dāng)大批人工神經(jīng)元組成并行計(jì)算機(jī)后，它也許可以和人類一樣進(jìn)行決策和處理感官信息。IBM表示，他們的人工神經(jīng)元技術(shù)和目前發(fā)展中的另外一種人工神經(jīng)元器件——憶阻器互為補(bǔ)充。
目前，IBM制造了10乘10的神經(jīng)元陣列，將5個(gè)小陣列組合成一個(gè)500神經(jīng)元的大陣列，該陣列可以用類似人類大腦的工作方式進(jìn)行信號(hào)處理。事實(shí)上，人工神經(jīng)元已經(jīng)表現(xiàn)出和人類神經(jīng)元一樣的“集體編碼”特性。此外，它的信號(hào)處理能力已經(jīng)超過(guò)了奈奎斯特-香農(nóng)采樣定理規(guī)定的極限。
編者注：集體編碼：每個(gè)神經(jīng)元有2種狀態(tài)，可以表示1比特信息，那么N個(gè)神經(jīng)元就可以表示2N比特信息。神經(jīng)元數(shù)量足夠多時(shí)，能表示的信息量將極其驚人。
IBM研究人員計(jì)劃構(gòu)建包含幾千個(gè)相變神經(jīng)元的單一芯片，并編寫能充分利用相變神經(jīng)元芯片隨機(jī)特性的軟件。
編輯：離子心
參考：IBM、Nature、Arstechnica
論文：Nature Nanotechnology, 2016. DOI: 10.1038/nnano.2016.70 (about DOIs).
來(lái)源：DeepTech深科技
