图片来源@免费视频“微型”是科技便利生活的重要组成部分。想象一下，有一天，我们可以将巨大的超级计算机缩小到可以装进口袋的程度；巨大的算法在它们微小的身体中运行。这不仅仅是一个无法实现的幻想。现在，麻省理工学院(MIT)的工程师设计出了“芯片上的大脑”，让我们离那个未来又近了一步。研究人员使用了一块物理上比一张纸还小的芯片，但工程师们放置了数千个“人工大脑突触”，即称为“忆阻器”的硅基元件，可以模仿人脑中信息传递的突触结构。最新研究成果近日发表在期刊《自然纳米技术》上。研究展示了一种很有前途的神经形态设备新设计，称为忆阻器——一种基于新型电路的电子设备，该电路以模仿大脑神经结构的方式处理信息。这种受大脑启发的电路可以嵌入到小型便携式设备中，以执行只有当今超级计算机才能处理的复杂计算任务。与其他现有版本的人工大脑突触相比，该突触的性能有所提高，并且可以组合在一个芯片上。研究人员表示，这些结果有望帮助开发能够在本地处理复杂人工智能计算的设备，同时保持小巧、节能，并且不需要连接到数据中心。脑芯片：小巧便携，堪比超级计算机在这项最新研究中，麻省理工学院的工程师打破了使用银作为模拟脑突触材料的传统，转而使用铜银合金构建忆阻器。新改良的忆阻器增强了性能，可以记住并重现美国队长盾牌的灰色图像，并通过锐化和模糊可靠地改变麻省理工学院基利安考特的图像。研究团队表示，他们发现用银、铜和硅的合金制造忆阻器可以制造出一个毫米见方的硅芯片，上面有数万个忆阻器。并且研究发现，该芯片能够有效地“记住”并反复回忆非常详细的图像，这些图像比之前出现的其他类型的模拟脑回路更清晰、更详细。虽然这些测试可能看起来并不技术性，但该团队认为像他们这样的芯片设计是开发小型便携式人工智能设备的重要一步，这些设备可以执行目前只有超级计算机才能完成的更复杂的计算任务。该团队的最终目标是使用微型技术重建大型、复杂的人工神经网络。“到目前为止，人工突触网络以软件的形式存在。我们正在尝试为便携式人工智能系统构建真正的神经网络硬件，”麻省理工学院机械工程副教授JeehwanKim说。这些神经网络目前基于需要大量GPU计算能力才能运行的软件，但如果将它们变成专门的硬件，这些微型芯片可以安装在小型设备上，包括手机或相机，带来令人印象深刻的技术创新。“想象一下，将神经形态设备连接到您汽车中的摄像头，让它识别灯光和物体并立即做出决定，而无需连接到互联网。”当然，麻省理工并不是开发神经形态芯片的唯一机构。苹果、谷歌、微软和英特尔都有自己的机器学习硬件版本。英特尔的Lohi芯片用1024个人工神经元模拟大脑。突触忆阻器，也称为存储晶体管，是神经形态计算的基本元素。在神经形态设备中，忆阻器的工作方式更像是大脑突触——两个神经元之间的连接点。大脑突触从一个神经元接收离子形式的信号，并将相应的信号发送到下一个神经元。传统电路中的晶体管只能通过在两种状态（0或1）之间切换来传递信息，而且只有当它接收到的电流信号具有一定强度时，这才是现代计算机的基础。不同的是，记忆元素可以提供梯度值，更像是人脑的原始原型。它产生的信号根据它接收到的信号强度而变化。这也意味着单个忆阻器可以有多个值，从而执行比二元晶体管更广泛的操作。而且，就像大脑突触一样，忆阻器能够“记住”与给定电流强度相关的值，并在下次接收到类似电流时产生完全相同的信号。这可以保证对复杂方程计算的正确答案，或者对物体进行可靠的视觉分类——通常，这需要多个晶体管和电容器来实现。然而，现有的忆阻器设计在性能上受到限制。单个忆阻器由正电极和负电极组成，它们由“开关介质”或电极之间的空间隔开。当电压施加到一个电极时，离子从该电极流过介质，形成到另一个电极的“传导通道”。接收到的离子构成忆阻器通过电路传输的电信号。离子通道的大小（以及忆阻器最终产生的信号）应该与刺激电压的强度成正比。传导通道越薄，离子从一个电极流向另一个电极的速度越轻，单个离子就越难保持在一起并倾向于分离。因此，在一定的小规模电流刺激下，接收电极很难可靠地捕获相同数量的离子，从而发射相同的信号。Kim还表示，现有的忆阻器设计在电压刺激大传导通道或大量离子从一个电极流向另一个电极的情况下效果很好。但是，当谈到通过更薄的传导通道产生更微妙的信号时，这些忆阻器就有点不足了。用“冶金学”创造新材料工程师通常使用银作为忆阻器正极的材料。“传统上，冶金学家试图通过在大块基质中添加不同的原子来强化材料，我们认为，为什么不调整忆阻器中的原子相互作用并添加一些合金元素来控制介质中离子的运动，”Kim说.’”因此，在这里，研究人员借用了冶金学的一个概念：当冶金学家想要改变一种金属的特性时，他们会将其与另一种具有所需特性的金属结合起来，形成一种合金。该团队在文献中搜索了一种材料，该材料可以与忆阻器正极的银结合，使其更稳定可靠地沿着非常薄的传导通道传递离子，从而使银离子快速流过另一个电极。该团队将注意力集中在铜上，因为它与银和硅结合良好。“它充当桥梁并稳定银硅界面，”Kim说。为了用他们的新合金制作忆阻器，该团队首先用硅制作了一个负极，然后通过沉积少量铜制作了一个正极，然后是一层银，然后两个电极夹在非晶周围硅电介质。就这样，他们用数千个忆阻器制成了一个毫米见方的硅芯片。在芯片的第一次测试中，他们再现了美国队长盾牌的灰色图像。他们将图像中的每个像素等同于芯片中相应的忆阻器。然后他们调整了每个忆阻器的电导，其强度与相应像素的颜色有关。实验发现，该芯片产生的屏蔽图像与其他材料制成的芯片一样清晰，并且可以“记住”该图像并多次复制。该团队还在芯片上进行了图像处理，对忆阻器进行编程以改变图像。在给定的案例中，研究人员应用了几种特定的方法，包括锐化和模糊原始图像。同样，他们的设计比现有的忆阻器设计更可靠地产生重新编程的图像。“我们正在使用人工突触进行真正的推理测试，”Kim说。“我们希望将这项技术更进一步，并拥有更大的图像识别任务阵列。总有一天，你将能够随身携带一个人造大脑。”无需连接到超级计算机、互联网或云端即可完成这些任务。”
