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NIST找到实现“人造大脑”所需的被遗失的拼图——超导人造突触

[据物理学组织网站2018年1月26日报道] 近日,美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员开发出一种具备生物系统学习能力的超导开关。该器件是一种人造突触,具有类似生物体内神经系统的信号传导功能,有望在未来类脑计算机中得到应用,将处理器与记忆存储器连接在一起,被认为是实现神经形态计算的关键。神经形态计算机(或类脑计算机)是新型人工智能的一种实现方式,在自动驾驶汽车和疑难疾病诊断等领域具有广阔的应用前景。该研究成果已在学术期刊《科学进展》上发表。

突触位于两个脑(神经)细胞之间,起到连接和开关的作用。NIST开发出的新型人造突触是一个直径为10微米的金属圆柱体,与生物体内的真实突触类似,它可以将输入的电脉冲处理成指定的输出脉冲信号。这种处理机制基于一种灵活性内部设计,可通过经验或环境进行调整。神经细胞或处理器之间传导的电信号越多,连接就越强。人造突触的处理速度能达到每秒10亿次,比人脑细胞每秒50次的速度要快得多,且处理过程只需消耗很少的能量(约为人类神经突触消耗能量的千分之一)。用专业术语来讲,新型人造突触电脉冲的能量小于1阿托焦耳(10-18焦耳),比室温下的背景能量还要低,与分子中将两个原子结合在一起的化学能相当。专家指出NIST开发的人造突触是目前工作能耗最低的人造突触。

研究人员指出,新型人造突触将被应用于由超导元件制成的神经形态计算机中。由于电信号的传导不会受到电阻的阻碍,因此计算机的计算效能比基于传统半导体材料或软件的设计要高得多。数据依靠磁通单元进行传输、处理和存储。虽然当前科学家已经开发出可模拟人脑细胞和神经传输线路的超导器件,但截至目前,一直还缺少关键的一块拼图——高效的人造突触。大脑具有十分强大的文章段落识别能力的原因是因为它可以按照合理的顺序以及同步并行的方式来处理数据,并将记忆存储在遍布整个系统的突触当中。相比之下,传统计算机只能按顺序进行数据处理,而记忆存储只能在另外的独立单元中实现,即数据处理单元及记忆存储单元是相互分离的。

NIST开发的超导人造突触是一种约瑟夫逊结(Josephson junction),具有三明治结构,一般由两块超导体夹以某种很薄的势垒层(厚度 ≤ 库珀电子对的相干长度)而构成,如S(超导体)—I(半导体或绝缘体)—S(超导体)结构。当通过约瑟夫逊结的电流强度超越临界值时就能产生电压脉冲。NIST的新型人造突触采用标准的铌超导电极,但是位于三明治结构中间的填充材料却由独特的锰纳米团簇和硅阵列组成。填充层中锰纳米团簇的密度约为每平方微米2万个,它们犹如带“自旋”的微小磁铁,其磁自旋方向可以杂乱无章,也可以通过一定的方式调节一致。通过调节锰纳米团簇磁自旋的一致性,可以控制人造突触约瑟夫逊结的超导特性。

人造突触正常情况下处于超导状态,当被输入电流激活后便会产生电压脉冲。研究人员通过在磁场中施加电流脉冲的方式,来调节锰纳米团簇磁自旋排列的有序度,从而控制具有相同磁自旋方向纳米团簇的数量。利用这种磁场效应,可以逐渐降低诱发电压脉冲产生的临界电流强度,使中间层变为正常的导体,产生电压脉冲。当所有纳米团簇的磁自旋方向都一致时,突触中间层的临界电流强度最低。这个过程是可逆的:可以在没有磁场存在的条件下输入电压脉冲来降低纳米团簇的磁自旋一致性,从而提高中间层的临界电流强度。这样的设计与人脑的工作方式极为相似。此外,通过改变器件的制作工艺或操作温度,也可以对人造突触的行为进行调节。例如,研究人员发现,通过缩小锰纳米团簇的尺寸可以减少提升或降低器件中间层磁自旋一致性所需脉冲能量;将操作温度从-271.15摄氏度升高至-269.15摄氏度,则会产生更多、更强的电压脉冲信号。

NIST研究人员指出,最重要的一点是,超导人造突触便于实现三维堆叠,从而十分有利于大型计算系统的制造。他们已经建立了一个电路模型来模拟大型计算系统的运行。

与其他技术相比,NIST的超导人造突触具有体积小、超快脉冲信号、低能耗和便于3维堆栈等优势。利用此技术将有望制造出更为庞大和复杂的神经形态计算系统。(工业和信息化部电子第一研究所  李铁成)