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平心在线官网:新材料助力类脑盘算,探路“电子大脑”

发表时间:2020-07-22 浏览量:23

语音识别、图像识别、自然语言处置……近年来,源于人工神经网络观点的深度学习飞速生长,大有挑战人类唯我独尊的态势。尽管如此,许多业内人士以为,人工智能生长的最终门路,离不开在硬件上模拟人脑的“电子大脑”。

接纳传统硅基晶体管的电路来模拟人脑中的突触或者神经元的功效,不仅花费大量硬件资源,而且执行信息处置的历程极其耗能。因此找到合适的质料,构建出可以模拟人脑运行的类脑器件,以及由这些器件集成的硬件类脑系统,是人工智能能否实现像人脑那样“灵光”的要害。

克日,南京大学物理学院缪峰教授团队分别在类脑视觉传感器和可重构类脑电路方面取得主要希望。这些研究成果揭晓在权威期刊《科学·希望》和《自然·电子学》上。

像搭“乐高”一样,搭出类脑视觉传感器

“传统的机械视觉系统需要先探测再处置,使用的图像传感器在探测目的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盘算机,会导致较大的时间延迟和较高的功耗。人眼不仅可以同时探测、处置信息,而且整体功耗极低。”缪峰团队成员梁世军副研究员说。

人类视觉系统壮大的信息处置能力,很大水平上依赖于视网膜的怪异结构和功效。视网膜中的主要细胞包罗感光细胞、双极细胞等,这些细胞之间呈现出垂直分层的结构。

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,电学信号会获得一定的预加工和处置。加工后的信息仅仅保留原图像的主要特征,再传输至大脑皮层举行进一步的图像处置和明白。通过这种方式,视网膜在一定水平上实现了信息探测和处置的同步举行。

“二维质料具有原子的尺寸和有别于传统三维质料的全新物理性子,而且对外界刺激响应敏捷。更为有趣的是,二维质料具有非常好的垂直扩展性,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质料凭据差别的顺序堆垛,制造出自然界并不存在的新型结构质料。”缪峰说。

他的团队接纳“原子乐高”的方式,实现了对视网膜结构和功效的模拟。科研人员将二硒化钨、氮化硼以及氧化铝制备成垂直异质结器件,这些垂直结构不仅能自然地模拟视网膜的垂直分层结构,而且所包罗的差别二维质料还可用来模拟视网膜中差别细胞的功效。

“通过控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功效的模拟,器件的响应时间和功耗均靠近人类视网膜的水平——响应时间小于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”

现在,主流的信息处置手艺依赖于冯·诺依曼架构,在这种架构中,数据的存储和盘算是离开举行的。数据在存储和盘算单元之间往返“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。而人脑的神经结构具有壮大的信息处置能力,纵然做大量的脑力流动,也只有20瓦左右的功耗。以是,近年来,科学家们不停实验接纳类似人脑神经元的结构来设计电路,以提升算力、降低功耗。

人脑中神经元之间毗邻的部门被称为突触,它不仅具有影象的能力,而且能够凭据所通报的信号,调整通报效率。模拟此类运算模式的类脑电路,可实现数据的并行传送和分布式处置,并能够低功耗实时处置海量数据。

“如何用更少的硬件,实现更多的运算,这需要电路具有可重构的特征。但现在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,就无法通过电学操作实现动态转换。只有通过花费大量的晶体管,来构建庞大的电路,才气让电路拥有可重构的盘算能力。”缪峰说,他的团队行使二维层状半导体质料二硒化钨,设计出电场可调的二维同质结(ETH)器件,这种器件会表现出8种差别的电流开关状态,从而在器件层面实现了“可重构”的电流开关特征。

“在大脑神经系统中,一个神经元需要与多个神经元之间互联来举行信息的通报和处置,这与传统晶体管器件单一端口的控制方式完全差别,以是拥有多端信号通报和多种电流开关状态的ETH器件,可以用来设计类似大脑的能够知足差别信息处置需求的类脑电路。”缪峰先容,在传统的类脑芯片中,需要花费跨越10个晶体管,才气模拟生物突触的功效,这在很大水平上会限制传统类脑芯片的集成度。但研究团队设计的可重构突触电路,仅需行使3个ETH 器件和一个电容元件。

缪峰说,这意味着,通过设计电场可调的ETH器件,在确保器件与电路都具有可重构功效的同时,可以大幅降低电路晶体管资源的消耗。“一方面有利于芯片的小型化和功效密度的提升,另一方面也能降低芯片的整体能耗,有望助力物联网、边缘盘算、人工智能等应用的快速生长。”

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