語(yǔ)音識(shí)別、圖像識(shí)別、自然語(yǔ)言處理……近年來(lái),源于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)概念的深度學(xué)習(xí)飛速發(fā)展,大有挑戰(zhàn)人類唯我獨(dú)尊的態(tài)勢(shì)。盡管如此,很多業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為,人工智能發(fā)展的終極路線,離不開(kāi)在硬件上模擬人腦的“電子大腦”。

  采用傳統(tǒng)硅基晶體管的電路來(lái)模擬人腦中的突觸或者神經(jīng)元的功能,不僅耗費(fèi)大量硬件資源,而且執(zhí)行信息處理的過(guò)程極其耗能。因此找到合適的材料,構(gòu)建出可以模擬人腦運(yùn)行的類腦器件,以及由這些器件集成的硬件類腦系統(tǒng),是人工智能能否實(shí)現(xiàn)像人腦那樣“靈光”的關(guān)鍵。

  近日,南京大學(xué)物理學(xué)院繆峰教授團(tuán)隊(duì)分別在類腦視覺(jué)傳感器和可重構(gòu)類腦電路方面取得重要進(jìn)展。這些研究成果發(fā)表在權(quán)威期刊《科學(xué)·進(jìn)展》和《自然·電子學(xué)》上。

  像搭“樂(lè)高”一樣,搭出類腦視覺(jué)傳感器

  “傳統(tǒng)的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)需要先探測(cè)再處理,使用的圖像傳感器在探測(cè)目標(biāo)圖像的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量冗余信息,此類信息通過(guò)有限的帶寬再傳輸至計(jì)算機(jī),會(huì)導(dǎo)致較大的時(shí)間延遲和較高的功耗。人眼不僅可以同時(shí)探測(cè)、處理信息,而且整體功耗極低。”繆峰團(tuán)隊(duì)成員梁世軍副研究員說(shuō)。

  人類視覺(jué)系統(tǒng)強(qiáng)大的信息處理能力,很大程度上依賴于視網(wǎng)膜的獨(dú)特結(jié)構(gòu)和功能。視網(wǎng)膜中的主要細(xì)胞包括感光細(xì)胞、雙極細(xì)胞等,這些細(xì)胞之間呈現(xiàn)出垂直分層的結(jié)構(gòu)。

  光透過(guò)瞳孔入射到視網(wǎng)膜上后,感光細(xì)胞將入射光轉(zhuǎn)換為電學(xué)信號(hào),流經(jīng)雙極細(xì)胞,電學(xué)信號(hào)會(huì)得到一定的預(yù)加工和處理。加工后的信息僅僅保留原圖像的主要特征,再傳輸至大腦皮層進(jìn)行進(jìn)一步的圖像處理和理解。通過(guò)這種方式,視網(wǎng)膜在一定程度上實(shí)現(xiàn)了信息探測(cè)和處理的同步進(jìn)行。

  “二維材料具有原子的尺寸和有別于傳統(tǒng)三維材料的全新物理性質(zhì),而且對(duì)外界刺激響應(yīng)靈敏。更為有趣的是,二維材料具有非常好的垂直擴(kuò)展性,我們可以像‘搭樂(lè)高’一樣,在原子世界里,將性質(zhì)迥異的多種二維材料按照不同的順序堆垛,制造出自然界并不存在的新型結(jié)構(gòu)材料!笨姺逭f(shuō)。

  他的團(tuán)隊(duì)采用“原子樂(lè)高”的方式,實(shí)現(xiàn)了對(duì)視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)和功能的模擬?蒲腥藛T將二硒化鎢、氮化硼以及氧化鋁制備成垂直異質(zhì)結(jié)器件,這些垂直結(jié)構(gòu)不僅能自然地模仿視網(wǎng)膜的垂直分層結(jié)構(gòu),而且所包含的不同二維材料還可用來(lái)模擬視網(wǎng)膜中不同細(xì)胞的功能。

  “通過(guò)控制垂直異質(zhì)結(jié)器件的柵壓,我們實(shí)現(xiàn)了對(duì)感光細(xì)胞和雙極細(xì)胞生物功能的模擬,器件的響應(yīng)時(shí)間和功耗均接近人類視網(wǎng)膜的水平——響應(yīng)時(shí)間小于10毫秒,功耗小于10納瓦!笨姺逭f(shuō)。

  打造二維“可重構(gòu)”器件,讓類腦電路“瘦身”

  目前,主流的信息處理技術(shù)依賴于馮·諾依曼架構(gòu),在這種架構(gòu)中,數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和計(jì)算是分開(kāi)進(jìn)行的。數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)和計(jì)算單元之間來(lái)回“搬運(yùn)”,會(huì)產(chǎn)生較大的延時(shí)和較高的功耗,隨時(shí)有“交通堵塞”的風(fēng)險(xiǎn)。而人腦的神經(jīng)結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)大的信息處理能力,即使做大量的腦力活動(dòng),也只有20瓦左右的功耗。所以,近年來(lái),科學(xué)家們不斷嘗試采用類似人腦神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)電路,以提升算力、降低功耗。

  人腦中神經(jīng)元之間連接的部分被稱為突觸,它不僅具有記憶的能力,而且能夠根據(jù)所傳遞的信號(hào),調(diào)整傳遞效率。模仿此類運(yùn)算模式的類腦電路,可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行傳送和分布式處理,并能夠低功耗實(shí)時(shí)處理海量數(shù)據(jù)。

  “如何用更少的硬件,實(shí)現(xiàn)更多的運(yùn)算,這需要電路具有可重構(gòu)的特性。但目前主流的可重構(gòu)電路是基于傳統(tǒng)的硅基電路,構(gòu)成這些電路的晶體管器件具有單一的電學(xué)特性,一旦制備完成,就無(wú)法通過(guò)電學(xué)操作實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換。只有通過(guò)耗費(fèi)大量的晶體管,來(lái)構(gòu)建復(fù)雜的電路,才能讓電路擁有可重構(gòu)的計(jì)算能力。”繆峰說(shuō),他的團(tuán)隊(duì)利用二維層狀半導(dǎo)體材料二硒化鎢,設(shè)計(jì)出電場(chǎng)可調(diào)的二維同質(zhì)結(jié)(ETH)器件,這種器件會(huì)表現(xiàn)出8種不同的電流開(kāi)關(guān)狀態(tài),從而在器件層面實(shí)現(xiàn)了“可重構(gòu)”的電流開(kāi)關(guān)特性。

  “在大腦神經(jīng)系統(tǒng)中,一個(gè)神經(jīng)元需要與多個(gè)神經(jīng)元之間互聯(lián)來(lái)進(jìn)行信息的傳遞和處理,這與傳統(tǒng)晶體管器件單一端口的控制方式完全不同,所以擁有多端信號(hào)傳遞和多種電流開(kāi)關(guān)狀態(tài)的ETH器件,可以用來(lái)設(shè)計(jì)類似大腦的能夠滿足不同信息處理需求的類腦電路!笨姺褰榻B,在傳統(tǒng)的類腦芯片中,需要耗費(fèi)超過(guò)10個(gè)晶體管,才能模擬生物突觸的功能,這在很大程度上會(huì)限制傳統(tǒng)類腦芯片的集成度。但研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的可重構(gòu)突觸電路,僅需利用3個(gè)ETH 器件和一個(gè)電容元件。

  繆峰說(shuō),這意味著,通過(guò)設(shè)計(jì)電場(chǎng)可調(diào)的ETH器件,在確保器件與電路都具有可重構(gòu)功能的同時(shí),可以大幅降低電路晶體管資源的消耗!耙环矫嬗欣谛酒男⌒突凸δ苊芏鹊奶嵘硪环矫嬉材芙档托酒恼w能耗,有望助力物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計(jì)算、人工智能等應(yīng)用的快速發(fā)展。”(記者 金 鳳)