| 哈佛、三星聯(lián)合發(fā)文提出類腦芯片：“復(fù)制粘貼”大腦連接圖譜 |
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人類的大腦有著不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，它功耗低、學(xué)習(xí)很快、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，更重要的是具有自主和認(rèn)知。這些優(yōu)點(diǎn)的背后在于，人腦擁有至少1000億個(gè)神經(jīng)元，數(shù)量約等于銀河系中的恒星數(shù)。這些神經(jīng)元又構(gòu)成10^15個(gè)神經(jīng)連接，將復(fù)雜相連的神經(jīng)首尾相接，總長(zhǎng)度超過18萬公里。
對(duì)大腦連接圖譜的了解是對(duì)其進(jìn)行逆向工程的關(guān)鍵。而始于20世紀(jì)80年代的神經(jīng)形態(tài)工程，其目的就是想在一個(gè)硅芯片上模仿這樣的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和功能。
截至目前，科學(xué)家們對(duì)大腦圖譜仍掌握有限。因此，神經(jīng)形態(tài)工程的目標(biāo)也已經(jīng)退而求其次，包括設(shè)計(jì)一個(gè)“受大腦啟發(fā)”的芯片，而不是嚴(yán)格地模仿它。近日，哈佛大學(xué)的研究人員和韓國三星電子的研發(fā)團(tuán)隊(duì)在國際學(xué)術(shù)期刊《自然•電子學(xué)》（NatureElectronics）上聯(lián)合發(fā)表了一篇行業(yè)展望（Perspective）文章，提出了一種模擬人腦芯片的愿景，將大腦神經(jīng)元連接圖“復(fù)制、粘貼”到高密度三維存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)上的可能。
左起：DonheeHam、HongkunPark、SungwooHwang、KinamKim。三星電子官網(wǎng)
在這篇文章中，作者們探索了這些目前神經(jīng)形態(tài)工程方法的可能性和局限性，然后為神經(jīng)形態(tài)電子學(xué)提供了一個(gè)愿景，通過先進(jìn)的神經(jīng)科學(xué)工具和最先進(jìn)的記憶技術(shù)的結(jié)合，使該領(lǐng)域回到其最初的目標(biāo)——逆向工程大腦，哈佛、三星聯(lián)合發(fā)文提出類腦芯片：“復(fù)制粘貼”大腦連接圖譜。
他們指出，目前的神經(jīng)形態(tài)電子學(xué)一般分為兩類，即人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANNs)驅(qū)動(dòng)和大腦自然神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(NNN)驅(qū)動(dòng)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是機(jī)器學(xué)習(xí)的框架，已經(jīng)產(chǎn)生了一系列強(qiáng)大的人工智能(AI)應(yīng)用。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需要精確的計(jì)算，因此最好采用數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)。
自然神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則是自然智能的基礎(chǔ)，由電化學(xué)反應(yīng)提供動(dòng)力。作者們指出，與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比，自然神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擅長(zhǎng)不同的任務(wù)：它們可以從很少或條件很差的數(shù)據(jù)中輕松學(xué)習(xí)，可以適應(yīng)環(huán)境，具有自主和認(rèn)知能力。“這些差異表明，我們至今仍知之甚少的自然神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的組織原則與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有很大的不同。”
在當(dāng)前技術(shù)限制下，作者們認(rèn)為，構(gòu)建一個(gè)具有獨(dú)特計(jì)算能力，以及最終具有自主和認(rèn)知的自然神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電路從根本上受到了挑戰(zhàn)，而提供類似大腦的智能的硅芯片仍然是一個(gè)遙遠(yuǎn)的前景。
作者們提出的愿景的精髓可以總結(jié)為“復(fù)制”和“粘貼”兩個(gè)詞。他們提出，利用DonheeHam和HongkunPark團(tuán)隊(duì)開發(fā)的CMOS納米電極陣列（CMOSnanoelectrodearray，CNEA）“復(fù)制”大腦神經(jīng)元連接圖，并將其“粘貼”到三星電子的高密度三維固態(tài)存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)上。
上述CMOS納米電極陣列由哈佛大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)此前完成，去年，該項(xiàng)研究發(fā)表于《自然·生物醫(yī)學(xué)工程》。研究團(tuán)隊(duì)在半導(dǎo)體芯片上加工出了4096個(gè)記錄和刺激電極的CMOS納米電極陣列，芯片上還有4096個(gè)電子通道，可以同時(shí)記錄數(shù)千個(gè)神經(jīng)元的突觸連接。
研究團(tuán)隊(duì)稱，該納米電極陣列能有效地進(jìn)入大量神經(jīng)元，高靈敏度地記錄神經(jīng)元電信號(hào)。這些大量并行的細(xì)胞內(nèi)信號(hào)記錄可以為神經(jīng)元連接圖提供信息。因此，可以從這些記錄中提取或“復(fù)制”神經(jīng)元連接圖譜。
“復(fù)制”完成后，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)想，可以將神經(jīng)元連接圖“粘貼”到非易失性存儲(chǔ)器（NVM）中，比如我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫墓虘B(tài)硬盤(SSD)的閃存，或“新”存儲(chǔ)器，如電阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RRAM)等。作者們認(rèn)為，這些存儲(chǔ)芯片均可用作存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)載體。
更進(jìn)一步的是，作者們?cè)谶@篇論文中還提出了一種快速將神經(jīng)元連接圖“粘貼”到存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)上的策略。他們提出，由特殊設(shè)計(jì)的非易失性存儲(chǔ)器組成的網(wǎng)絡(luò)，在細(xì)胞內(nèi)記錄信號(hào)的直接驅(qū)動(dòng)下，可以學(xué)習(xí)和表達(dá)神經(jīng)元連接圖。這是一種直接將大腦神經(jīng)元連接圖下載到內(nèi)存芯片上的方案。
作者們同時(shí)指出，人類大腦估計(jì)至少有1000億個(gè)神經(jīng)元，而它們形成的突觸連接更是神經(jīng)元數(shù)量的1000倍以上。因此，最終用于“復(fù)制”的神經(jīng)形態(tài)芯片，將具備存儲(chǔ)100萬億個(gè)虛擬神經(jīng)元和突觸數(shù)據(jù)的容量。
三星電子方面稱，三星電子主導(dǎo)的“3D集成技術(shù)”開創(chuàng)了存儲(chǔ)器產(chǎn)業(yè)的新時(shí)代，可以使得在一個(gè)芯片上集成如此多的存儲(chǔ)芯片成為可能。三星電子計(jì)劃，利用在半導(dǎo)體制造領(lǐng)域的領(lǐng)先經(jīng)驗(yàn)，繼續(xù)進(jìn)行神經(jīng)工學(xué)研究，以擴(kuò)大在下一代人工智能半導(dǎo)體領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。
DonheeHam表示，“我們提出的愿景非常宏大，但朝著這樣一個(gè)宏偉的目標(biāo)努力，我們將推動(dòng)機(jī)器智能、神經(jīng)科學(xué)和半導(dǎo)體技術(shù)的邊界。” |
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