NIST的超导突触可能就是“人工大脑”缺失的那一块

    NIST的超导突触可能就是“人工大脑”缺失的那一块
     
上图显示了NIST的人工突触的基本工作方式,它可以连接处理器并在未来像人脑一样运行的神经形态计算机中存储记忆。突触是两个脑细胞之间的连接或切换。NIST的人工突触是一个微小的金属圆柱体,可以根据可调节的内部设计处理输入的电子尖峰,定制尖峰输出信号。研究人员利用电流脉冲来控制指向同一方向的纳米团簇的数量,如上图中的“无序”与“有序”所示。这种设计可因不同的输入而改变排列和产生的输出信号,其产生的灵感来自于大脑的工作方式。Credit: NIST

 

  美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员发明了一种超导开关,可以像生物系统一样“学习”,可以连接处理器,并能在像人脑一样运行的未来计算机中存储记忆。

 

  《科学进展(Science Advances)》上介绍了NIST研发的这种开关,它被称为突触,就像生物中真正的突触一样,它为所谓的神经形态计算机补上了缺失的那一块。这种计算机被设想为一种新型的人工智能,可以提高自动驾驶汽车和癌症诊断等应用的感知能力和决策能力。
   
为了构建模拟大脑的计算机,研究人员想要制造出人工突触。NIST设计了一种人工突触,用的是约瑟夫森结,这是一种由绝缘层隔开的两个超导体组成的装置。这个动画演示了NIST人工突触是如何工作的,以及它是如何“学习”的。

 

  突触是两个脑细胞之间的连接或切换。NIST的人工突触(一种直径10微米、又短又粗的金属圆柱体)就像真正的突触一样,因为它可以处理传入的电子尖峰,定制尖峰输出信号。这个处理过程基于的是灵活的内部设计,可根据经验或环境进行调整。单元或处理器之间的触发越多,连接就越强。因此,无论是真正的突触还是人造的突触,都可以维持旧的回路,并创建新的回路。

 

  NIST的突触甚至比真正的突触要更好,因为人工突触的放电速度比人脑的速度更快,相较于脑细胞每秒放电50次,人工突触每秒则放电10亿次,而且,人工突触用到的能量不过是一点点,大约是人脑突触的万分之一。技术层面上来看,尖峰能量小于1阿托焦耳(attojoule),低于室温的背景能量,且与分子中两个原子结合的化学能相当。

 

  NIST的物理学家Mike Schneider说:“NIST的突触所需求的能量比人脑突触更低,而且我们还没有发现任何其他人工突触使用的能量较之更少。”

 

  新的突触将用于由超导组件制成的神经形态计算机,超导组件可以无阻力地传输电力,因此,它比基于半导体或软件的其他计算机效率更高。数据将以磁通量为单位传输、处理和存储。模仿脑细胞和传输线的超导装置已经被开发出来,但在此之前,有效的突触——一个关键的部分——一直缺失。

    大脑在处理上下文识别等任务时尤其强大,因为它既可以按顺序也可以同时并行处理数据,而且它将记忆存储在整个系统的突触中。传统计算机仅按顺序处理数据,并将记忆存储在单独的单元中。
 NIST的超导突触可能就是“人工大脑”缺失的那一块
    
该显微图为NIST设计用于神经形态计算的人工突触电探针。这个突触是一种超导装置,由铌电极和锰硅基质组成,模仿两个脑细胞之间切换的操作。芯片尺寸为1平方厘米。每个X的中心都有一个人工突触。Credit: NIST

 

  NIST突触用的是长期用于NIST电压标准的约瑟夫森结。这些约瑟夫森结是超导材料的夹层结构,绝缘体作为填充物。当通过结的电流超过称为临界电流的电平时,就会产生电压尖峰。突触使用标准的铌电极,但在硅基质中装有由纳米级锰簇组成的独特填充物。

 

  这些纳米团簇每平方微米约20,000个,就像带有“自旋”的微小条形磁铁一样,可以随机或以协调的方式定向。

 

  “这些是定制的约瑟夫森结,”Schneider说。“我们可以控制指向同一方向的纳米团簇的数量,这会对结的超导性能产生作用。”

 

  突触处于超导状态,除非它被输入电流激活并开始产生电压尖峰。研究人员利用磁场中的电流脉冲增强磁性排序,即指向同一方向的纳米团簇的数量。这种磁效应逐渐降低了临界电流水平,使其更容易形成一个正常导体并产生电压尖峰。

 

  当所有纳米团簇对齐时,临界电流最低。这个过程也是可逆的:在没有磁场的情况下,施加脉冲以减少磁性排序并提高临界电流。这种设计会因不同的输入而改变旋转队列和产生的输出信号,类似于大脑的工作方式。

 

  突触行为还可以通过更改装置的制造方式和工作温度来调整。研究人员通过缩小纳米团簇可减少提高或降低装置磁性排序所需的脉冲能量。例如,将操作温度从—271.15摄氏度略微提高到—269.15摄氏度,就会导致电压尖峰越来越多、越来越高。

 

  至关重要的是,这些突触可以三维(3-D)形式堆叠,从而建成可用于计算的大型系统。NIST的研究人员创建了一个电路模型来模拟这样一个系统的运行方式。

 

  就发表的论文所示,NIST的突触具有体积小、尖峰信号迅捷、能量需求低、3D堆叠能力等特点,这为构建一个远比其他技术更为复杂的神经形态系统提供了方法。

 

  这项研究工作获得了高级智能研究项目活动(Intelligence Advanced Research Projects Activity)下的低温计算复杂性计划(Cryogenic Computing Complexity Program)的支持。

相关新闻

联系我们

热 线 0755-23596580

韦先生150-1246-3114

黄小姐189-2744-1877

在线咨询点击这里给我发消息

在线报价

邮件:tkuaile@yeah.net

工作时间:周一至周日,9:30-22:30,节假日不休

联系微信
联系微信
分享本页
返回顶部