受生物神經(jīng)網(wǎng)絡啟發(fā)，研制出一種具有豐富動態(tài)特性的人工樹突器件，構建了包含突觸、樹突、胞體三種基本計算單元的新型神經(jīng)網(wǎng)絡，樹突功能顯著提升了網(wǎng)絡的準確率，同時大幅降低了系統(tǒng)的功耗，增強了網(wǎng)絡處理復雜任務的能力。

包含樹突計算的新型人工神經(jīng)網(wǎng)絡示意圖

生物神經(jīng)網(wǎng)絡由突觸和神經(jīng)元組成，而神經(jīng)元又包含樹突、胞體等基本結構，其中樹突具有非常復雜的拓撲結構和動態(tài)過程。許多生物神經(jīng)系統(tǒng)的研究表明樹突具有十分重要的非線性時空信息處理功能，它是大腦能夠在處理復雜任務的同時保持低功耗的重要原因之一。當前的人工神經(jīng)網(wǎng)絡大多將神經(jīng)元用簡單的點模型表示，將其計算功能簡化成積分-發(fā)放（integrate-and-fire），而忽略了樹突的信息處理功能。這樣的簡化使得人工神經(jīng)網(wǎng)絡在功耗、靈活性上與生物神經(jīng)網(wǎng)絡相比仍存在很大的差距。

清華大學微電子所、未來芯片技術高精尖創(chuàng)新中心錢鶴、吳華強教授團隊，聯(lián)合清華大學醫(yī)學院及腦與智能實驗室宋森研究員、美國麻省大學楊建華教授、阿里巴巴達摩院謝源教授、加州大學圣芭芭拉分校鄧磊博士，在Nature Nanotechnology上發(fā)表題為“Power-Efficient Neural Network with Artificial Dendrites”的研究論文，報道了基于動態(tài)憶阻器的人工樹突器件，成功復現(xiàn)了生物樹突對信號的非線性過濾、積分以及對時間信號的處理方式。

為了驗證人工樹突的計算功能，研究團隊將所開發(fā)的人工樹突器件與導電細絲型突觸器件、Mott相變型胞體器件進行系統(tǒng)集成，構建了包含突觸、樹突、胞體三種基本計算單元的新型神經(jīng)網(wǎng)絡。實驗結果顯示，由于樹突功能的引入，該網(wǎng)絡在處理具有復雜背景噪聲的街景門牌號（SVHN）數(shù)據(jù)集時，胞體的動態(tài)功耗降低30倍，網(wǎng)絡的準確率提高8%以上，系統(tǒng)評估整體功耗比CPU降低3個數(shù)量級。來自清華大學微電子所的吳華強教授是該論文的通訊作者，李辛毅博士、唐建石助理教授和張清天博士是共同第一作者。

近年來，錢鶴、吳華強教授團隊長期致力于基于憶阻器的存算一體芯片技術研究，從器件性能優(yōu)化、工藝集成、電路設計及架構與算法等多層次實現(xiàn)創(chuàng)新突破，相關研究成果發(fā)表于Nature、Nature electronics、Nature Communications、Advanced Materials等頂級期刊和ISSCC、IEDM、VLSI等領域內(nèi)頂級國際學術會議上。

受生物啟發(fā)制備的新原理樹突器件，復現(xiàn)了生物樹突對信號的非線性過濾、積分等功能

集成了突觸、樹突、胞體三種計算單元的新型人工神經(jīng)網(wǎng)絡，在SVHN數(shù)據(jù)集上驗證了功耗和準確率上的顯著優(yōu)勢

該工作的主要創(chuàng)新之處包括：

開發(fā)出了與CMOS工藝兼容的樹突器件，其豐富的動態(tài)特性復現(xiàn)了生物樹突單元的非線性過濾、積分以及對時間信息處理等功能。

將所制備的人工樹突器件和基于導電細絲的突觸器件、基于Mott相變的胞體器件進行集成，首次在硬件系統(tǒng)上構建了包含突觸、樹突、胞體三種基本計算單元的新型人工神經(jīng)網(wǎng)絡。

在包含復雜背景噪聲的街景門牌號數(shù)據(jù)集（SVHN dataset）上，對包含樹突計算的人工神經(jīng)網(wǎng)絡功能進行了驗證。樹突功能的引入將胞體的動態(tài)功耗降低30倍，同時將網(wǎng)絡準確率提高了8%以上，系統(tǒng)評估整體能耗比CPU降低3個數(shù)量級。

該研究基于新原理憶阻器的豐富動態(tài)過程開發(fā)了神經(jīng)形態(tài)樹突器件，并進一步驗證了新型人工神經(jīng)網(wǎng)絡的功能。未來通過器件、算法、電路、架構的協(xié)同創(chuàng)新與優(yōu)化，有望進一步提高包含樹突計算的人工神經(jīng)網(wǎng)絡處理復雜時空任務的能力，構建更加智能化的低功耗神經(jīng)網(wǎng)絡。

該研究工作得到了國家自然科學基金委、國家重點研發(fā)計劃、北京市科委、北京信息科學與技術國家研究中心等支持。
責任編輯:pj