對于工程師們來說，無法實現(xiàn)人類大腦效率和超強計算性能的其中一個原因在于，一直以來我們?nèi)鄙僖环N可以獨立發(fā)揮神經(jīng)元作用的電子設(shè)備。要做到這一一點，需要我們發(fā)明一種全新的設(shè)備，其設(shè)計比此前創(chuàng)造的所有東西都更加復(fù)雜。

近日，來自惠普實驗室的Suhas Kumar、R.Stanley Williams（現(xiàn)在為德州農(nóng)工大學(xué)教授）和斯坦福大學(xué)已故博士生 Ziwen Wang 發(fā)明了一種滿足這些要求的設(shè)備。就其本身而言，使用一個簡單的直流電壓作為輸入，該設(shè)備不僅可以輸出其他設(shè)備可以管理的簡單脈沖，而且還可輸出神經(jīng)元的全部活動情況，包括脈沖爆發(fā)、自激振蕩，以及大腦中出現(xiàn)的其他情況。該研究成果的具體描述發(fā)表在了近日的《自然》雜志上。

它將電阻、電容和所謂的Mott憶阻器都集成在同一個裝置中。憶阻器是以電阻的形式保存流過它們的電流的存儲器。Mott憶阻器還有一個附加功能，即能夠反映受溫度影響下的電阻變化。Mott 轉(zhuǎn)換中的材料根據(jù)其溫度在絕緣和導(dǎo)電之間轉(zhuǎn)換。這種特性在 20 世紀 60 年代就被發(fā)現(xiàn)了，但直到最近才在納米級設(shè)備中進行了探索。

這種轉(zhuǎn)變發(fā)生在憶阻器中的納米級氧化鈮條中。當(dāng)施加電壓時，NbO2 會輕微發(fā)熱，使其從絕緣變?yōu)榭蓪?dǎo)電。一旦這種轉(zhuǎn)換發(fā)生，電容中累積的電荷就會流過。然后，設(shè)備冷卻到剛好足以觸發(fā)轉(zhuǎn)回絕緣狀態(tài)。這樣脈沖電流就類似于神經(jīng)元的動作電位。

Williams說：“我們已經(jīng)為此努力了五年。在這一小塊納米材料結(jié)構(gòu)中發(fā)生了很多事情?！?/p>

根據(jù)Kumar的說法，憶阻器發(fā)明者Leon Chua預(yù)測，如果設(shè)置出可能的器件參數(shù)，則行為穩(wěn)定的區(qū)域之間將存在行為混亂的區(qū)域。在某些混亂區(qū)域的邊緣，可能存在執(zhí)行新的人造神經(jīng)元功能的器件。

Image: Suhas KumarThe device is capable of a host of behaviors.

Williams認為Kumar微調(diào)了設(shè)備的材料和物理參數(shù)，從而找到了一個有效的組合。他說：“你不會是偶然發(fā)現(xiàn)這個的。在發(fā)現(xiàn)這一特點之前，一切都必須非常完美。但是一旦你能制造出這個東西，它實際上會變得非常穩(wěn)固，而且可以復(fù)現(xiàn)。?！?/p>

研究人員首先構(gòu)建了脈沖版本的布爾邏輯門（NAND 和 NOR），隨后通過構(gòu)建小型模擬優(yōu)化電路來對器件進行測試。

要想把這一設(shè)備最終擴展到實用化程度，并挑戰(zhàn)當(dāng)前常規(guī)架構(gòu)的設(shè)備，還需要很多工作要做。例如，Kumar和Williams計劃探索在不同溫度下經(jīng)歷Mott轉(zhuǎn)變的其他可能材料。NbO2 的轉(zhuǎn)換出現(xiàn)在 800 度，過高了。這一溫度只會出現(xiàn)在納米級的涂層里，想要把這種環(huán)境擴展到數(shù)百萬設(shè)備上是一個大問題。

Williams表示，其他人也研究過氧化釩，它在60攝氏度的溫度下轉(zhuǎn)變，但這可能太低了，因為數(shù)據(jù)中心的系統(tǒng)通常要在100攝氏度下工作。

可能還會存在其他可實現(xiàn)同樣效果的轉(zhuǎn)換材料。Williams 說：“尋找最佳材料是一個非常有趣的問題?！?/p>

原文標題：首個單設(shè)備模擬神經(jīng)元出現(xiàn) 可有效解決傳統(tǒng)計算機所面臨的問題

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