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美国NIST研制出速度和能耗均超过人类的人工突触器件
2018-01-29

[据美国电气与电子工程师协会科技纵览网站2018126日报道]美国国家标准技术研究院的科学家们研制出一种超导器件,其作用类似于人类突触的超高效版本。

神经突触是神经元之间的连接,这些连接的强度变化是神经网络学习的方式。NIST的研究小组提出了一种由纳米级磁性元件制成的超导突触,,其能量效率很高,比人类突触要高出100多倍。

NIST的物理学家迈克·施耐德(Mike Schneider)在新闻发布会上说:“NIST的突触所需的能量比人类突触所需要的更低,我们不知道是否还有其他耗能更少的人工突触。

这个新突触的核心是一个被称为磁约瑟夫森结的器件。施耐德解释说,一个普通的约瑟夫森结基本上是“超导体之间的弱连接”。在一定的电流范围内,电流会在没有电压的情况下通过量子遂穿作用通过比如说一个非超导材料薄片这样的弱电点而产生。然而,如果你把电流提高到“临界值”,电压将会以100吉赫兹以上的极高速率产生尖峰脉冲。

在磁约瑟夫森结中,“弱连接”是磁性的。磁场越高,产生电压尖峰脉冲所需的临界电流值就越低。在施耐德和他的同事们设计的器件中,磁场是由嵌在硅中的大约2万个纳米级锰颗粒引起的。每个纳米磁颗粒都有自己的磁场,但是这些磁场开始的时候都指向随机的方向,总和为零。NIST的研究小组发现,他们可以使用一个小的外部磁场,再加上微小的电流脉冲,使越来越多的锰颗粒形成磁场。结果在约瑟夫森结处磁场逐渐增强,降低了该器件的临界电流,使其更容易产生电压尖峰脉冲。

这个过程类似于大脑中神经元向突触传递电压尖峰脉冲的过程。这个尖峰脉冲是否足以引起下一个神经元放电,取决于突触的连接有多强。当更多的电压尖峰脉冲强化了突触连接时,学习就会发生。在NIST的器件中,临界电流就像突触的强度。磁性约瑟夫森结能否达到临界电流,取决于纳米颗粒的排列方式,而这由它们接收到的尖峰脉冲控制。

仅仅这样类比还不足以让该器件显得如此有趣:它可以工作在100吉赫兹的频率上,每个尖峰仅耗能不到1阿(10的负18次幂)焦。人类的神经细胞的速度不及该器件的百万分之一,消耗的能量是该器件的1000倍以上。更妙的是,磁约瑟夫森结突触可以轻易堆叠成致密的三维电路。

NIST的科学家已经用他们的超导突触模拟了一个简单的神经网络。下一步的工作是构建更复杂的电路。但施耐德表示,这并不是他们的全部要做的。

他们还想消除学习所需的外部磁场,因为这样的磁场会使电路更加复杂。施耐德认为,他们可以利用磁性随机存储器的相关技术达到同样的效果。在磁性随机存储器里,一种特殊的电流扭转了磁层的自旋状态。施耐德希望类似的机理能在锰纳米颗粒上发挥作用。

一个雄心勃勃的目标,是让学习脉冲的能量能够与人工神经元输出脉冲相匹配。现在,每一个输出电压尖峰脉冲所携带的能量都不到1阿焦。但至少需要3阿焦才能改变纳米颗粒并引起学习。所以,目前,学习只能离线进行,因为一个神经元不能在没有辅助的情况下去激发另一个神经元。(即便如此,一旦系统被训练完成,其运行速度会比任何其他系统都快,耗能也更低。)

根据NIST的仿真和实验,他们可能会通过缩小结的大小和稍微提高其5开尔文的工作温度来让输入和输出能量得以匹配。通过匹配的输入和输出,他们可以创建一个自学习的低功耗系统。施耐德说:这令人兴奋,因为现在我们能够得到真正像大脑的东西了

NIST的科学家们在本周刊发《科学进展》期刊中描述了这一器件,并在美国电气与电子工程师协会201711月关于重新振兴计算的国际会议上,详细介绍了他们系统的其他方面。(参见电气与电子工程师协会科技纵览网站,201712四种奇怪的计算方法”)。(工业和信息化部电子第一研究所  王巍)

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