（文章來源：環(huán)球創(chuàng)新智慧）

據(jù)美國德克薩斯A&M大學(xué)官網(wǎng)近日報道，該校領(lǐng)導(dǎo)的科學(xué)家團(tuán)隊和工程師們探索出一種基于材料的方案，它可以模仿負(fù)責(zé)在人腦內(nèi)傳遞信息的神經(jīng)信號，為類腦計算開辟了一條新途徑。

大腦是人體最重要的器官之一，它支撐著人的視覺、聽覺、平衡、學(xué)習(xí)等。大腦的構(gòu)造十分復(fù)雜，它由大約1千億個神經(jīng)元組成，并由約100萬億個突觸連接。這些神經(jīng)元與突觸一起構(gòu)成了一個極其龐大的生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。因此，大腦具備極其強(qiáng)大的計算與學(xué)習(xí)能力，能以極低的功耗，并行處理大量數(shù)據(jù)。即便是如今最強(qiáng)大的計算機(jī)，在涉及到模式識別、風(fēng)險管理及其他類似的復(fù)雜任務(wù)時，也無法與人腦抗衡。

科學(xué)家們希望從人腦中汲取靈感，來解決傳統(tǒng)計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)所固有的問題（例如“內(nèi)存墻”問題）。他們試圖模仿人腦神經(jīng)元與突觸，在同一地點(diǎn)處理和存儲信息，為此打造了許多新型計算器件，較典型的有憶阻器、光學(xué)類腦計算芯片等。近日，美國德克薩斯A&M大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的科學(xué)家團(tuán)隊和工程師們探索出一種基于材料的方案，它可以模仿負(fù)責(zé)在人腦內(nèi)傳遞信息的神經(jīng)信號，為類腦計算開辟了一條新途徑。

該多學(xué)科團(tuán)隊，由德克薩斯A&M大學(xué)化學(xué)家 Sarbajit Banerjee 領(lǐng)導(dǎo)，與德克薩斯A&M大學(xué)電氣與計算機(jī)工程師 R. Stanley Williams 以及來自北美和其他國家的同事們合作，在一種固態(tài)材料 β’-CuxV2O5 中探索出類似神經(jīng)元的電氣開關(guān)機(jī)制，特別是，它是如何按照指令在導(dǎo)電和絕緣行為之間可逆變化的。

團(tuán)隊通過重新研究 β’-CuxV2O5，厘清了驅(qū)動這種行為的根本機(jī)制。β’-CuxV2O5 是一種像變色龍一樣的卓越材料，它可以根據(jù)溫度或者施加的電刺激來變化。在這一過程中，他們集中精力研究了銅離子如何在材料內(nèi)部四處移動，以及這種微妙的舞蹈如何繼而使得周圍的電子四處移動并改變材料的。他們的研究揭示了銅離子的運(yùn)動是導(dǎo)電性變化的關(guān)鍵，這種變化可用于創(chuàng)造電尖峰，就像大腦神經(jīng)系統(tǒng)中神經(jīng)元的工作方式一樣，這代表朝著開發(fā)能模仿人腦的電路邁出了重要一步。

他們的成果論文于2月27日發(fā)表在 Cell Press 出版的期刊《Matter》上，論文第一作者為德克薩斯A&M大學(xué)化學(xué)系研究生 Abhishek Parija （現(xiàn)就職于英特爾公司）、Justin Andrews 和 Joseph Handy。在開發(fā)新的節(jié)能計算模型的過程中，由來自不同領(lǐng)域的合作者們組成的這個研究小組，利用具有可調(diào)諧的電子不穩(wěn)定性的材料，實現(xiàn)所謂的“神經(jīng)形態(tài)計算”，或者說模仿大腦獨(dú)特功能以及無與倫比效率的計算方式。

Williams 表示：“大自然賦予了我們具有適當(dāng)行為的材料，以模仿發(fā)生于大腦中的信息處理，但迄今為止，它們都具有不同的局限性。這項研究的重要性在于，化學(xué)家們可以理性地設(shè)計和創(chuàng)造神經(jīng)形態(tài)特性顯著改善的電活性材料。隨著我們懂得更多，我們的材料將顯著改善，這樣就可以為我們計算能力的持續(xù)技術(shù)進(jìn)步提供一條新途徑?！?/p>

Parija 表示，智能手機(jī)和筆記本電腦每次迭代都會變得更加快速流暢，而新材料以及擺脫傳統(tǒng)限制的計算范式，需要滿足持續(xù)增長的速度和能效要求。這些要求使得硅計算機(jī)芯片不堪重負(fù)，硅計算機(jī)芯片的能效正逐漸逼近極限。神經(jīng)形態(tài)計算就是能滿足這些要求的一種方案，在新材料中操控切換行為是實現(xiàn)它的一種途徑。

美國宇航局空間技術(shù)研究員 Andrews 表示：“神經(jīng)形態(tài)計算的中心前提（以及中心承諾），是我們?nèi)匀粵]有找到一條可以像人腦中的神經(jīng)元和突觸一樣高效執(zhí)行運(yùn)算的途徑。大多數(shù)的材料是絕緣的（不導(dǎo)電）、金屬般的（導(dǎo)電）或者兩者中間的狀態(tài)。然而，某些材料可以幾乎按照指令，在兩種狀態(tài)：絕緣（關(guān)）和導(dǎo)電（開）之間轉(zhuǎn)變?！?/p>

Handy 表示，通過廣泛地綜合計算技術(shù)與實驗技術(shù)，團(tuán)隊不僅能夠證明，這種材料經(jīng)歷由溫度、電壓和電場強(qiáng)度變化驅(qū)動的轉(zhuǎn)變，創(chuàng)造出類似神經(jīng)元的電路，而且全面解釋了這種轉(zhuǎn)變是如何發(fā)生的。不同于其他具有金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變（MIT）的材料，這種材料依賴于釩與氧的剛性晶格中銅離子的運(yùn)動。

Handy 補(bǔ)充道：“我們從根本上展示了，結(jié)構(gòu)中非常細(xì)微的銅離子運(yùn)動導(dǎo)致了整個材料導(dǎo)電性的巨大變化。因為銅離子的運(yùn)動，材料響應(yīng)溫度、電壓或者電流的外部變化，從絕緣狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài)。換句話說，施加一個微小的電流脈沖，就能讓我們改變材料，并在其中存儲信息，如同在電路中一樣，這很像大腦中神經(jīng)元的工作方式。”

Andrews 把釩結(jié)構(gòu)中銅離子運(yùn)動與電子之間的關(guān)系比喻為舞蹈。Andrews 表示：“當(dāng)銅離子運(yùn)動時，釩晶格中的電子一齊運(yùn)動，反映出銅離子的運(yùn)動。通過這種方式，銅離子極其微小的運(yùn)動導(dǎo)致了釩晶格中產(chǎn)生了大電荷，而釩釩鍵卻無任何明顯變化。這就像釩原子‘看到’銅離子在干什么，并作出響應(yīng)?！?/p>

目前，傳輸、存儲和處理數(shù)據(jù)，占據(jù)了全球能源使用的約10%。但 Banerjee 表示，外推法表明，到2040年，計算需求將超過全球計劃的能源供應(yīng)許多倍。因此，對于一系列變革性的愿景，例如物聯(lián)網(wǎng)、自主交通、抗災(zāi)設(shè)施、個性化醫(yī)療以及其他社會大挑戰(zhàn)來說，計算能力的指數(shù)級增長非常有必要，然而在處理人工和機(jī)器生成的數(shù)據(jù)的規(guī)模和復(fù)雜度方面，目前的計算技術(shù)能力有限。他表示，打破傳統(tǒng)計算技術(shù)限制的一條途徑就是從大自然中汲取靈感，特別是人腦的神經(jīng)電路，它在能量效率方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了傳統(tǒng)的計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，也為機(jī)器學(xué)習(xí)和先進(jìn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提供了新方案。
（責(zé)任編輯：fqj）