科技 | 新突破！全球首款人工神經(jīng)元1M1T1R問世

據(jù)媒體報道，美國南加州大學(xué)約書亞·楊教授團隊聯(lián)合多國科研機構(gòu)，成功研制出全球首款集成化人工神經(jīng)元“1M1T1R”。

該器件模仿生物神經(jīng)元工作機制，實現(xiàn)了皮焦耳級超低功耗運行，為構(gòu)建類腦硬件學(xué)習(xí)系統(tǒng)開辟了新路徑。相關(guān)成果發(fā)表于《自然·電子學(xué)》期刊，被譽為通向通用人工智能（AGI）的關(guān)鍵技術(shù)突破。

研究團隊從生物神經(jīng)元的離子通道機制獲得靈感，創(chuàng)新采用擴散型憶阻器作為核心元件。該材料在電壓作用下形成動態(tài)導(dǎo)電通道，模擬神經(jīng)信號的積累與釋放過程。通過將憶阻器、晶體管和電阻三維垂直堆疊，研究人員成功將傳統(tǒng)需數(shù)十個晶體管實現(xiàn)的神經(jīng)元功能集成至單個晶體管尺寸的器件中，集成度提升兩個數(shù)量級。

實驗數(shù)據(jù)顯示，該人工神經(jīng)元在處理“噴發(fā)脈沖海德堡數(shù)字”語音識別任務(wù)時準(zhǔn)確率達91.35%。這項測試要求系統(tǒng)同時解析語音信號的時間序列與空間頻率信息，而傳統(tǒng)AI算法在此類時空數(shù)據(jù)融合任務(wù)中表現(xiàn)欠佳。1M1T1R神經(jīng)元展現(xiàn)出漏電積分、閾值放電等六大生物特性，使其能如真實神經(jīng)元般處理動態(tài)信息流。

能耗測試結(jié)果尤為引人注目：當(dāng)前版本神經(jīng)元單次放電僅消耗1皮焦耳，相當(dāng)于蚊子振翅能耗的千分之一。通過3納米制程工藝優(yōu)化，未來能耗有望降至艾焦耳級，較人腦神經(jīng)元節(jié)能數(shù)千倍。這意味著由數(shù)十億此類神經(jīng)元組成的電子大腦，在處理服務(wù)器級AI任務(wù)時僅需手表電池即可持續(xù)運行。

在硬件架構(gòu)層面，該技術(shù)突破了馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的瓶頸。傳統(tǒng)計算機處理AI任務(wù)時，CPU需反復(fù)從內(nèi)存調(diào)取數(shù)據(jù)，導(dǎo)致高能耗與延遲。而1M1T1R神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)采用事件驅(qū)動型異步通信，信號以脈沖形式在神經(jīng)元間直接傳遞，這種并行處理模式與人腦工作機制高度相似。實驗顯示，由32個神經(jīng)元組成的微型網(wǎng)絡(luò)在平衡球控制任務(wù)中已展現(xiàn)出實時軌跡預(yù)測能力。

項目聯(lián)合負責(zé)人透露，美國空軍研究實驗室與NASA自2018年起便參與核心技術(shù)攻關(guān)。科研團隊運用原子層沉積技術(shù)，在納米尺度精準(zhǔn)控制憶阻器與晶體管的界面特性，并開發(fā)出能捕捉納秒級信號變化的專用脈沖發(fā)生系統(tǒng)。經(jīng)過七年技術(shù)迭代，器件壽命從最初數(shù)百次循環(huán)提升至百萬次級穩(wěn)定運行。

該成果對AI硬件發(fā)展具有雙重意義：應(yīng)用層面，超低功耗使類腦芯片可植入可穿戴設(shè)備或醫(yī)療監(jiān)測裝置；學(xué)術(shù)層面，隨機性放電特征為機器學(xué)習(xí)提供了新優(yōu)化路徑——實驗表明，適當(dāng)引入神經(jīng)元級噪聲可使網(wǎng)絡(luò)跳出局部最優(yōu)解，在圖像復(fù)原任務(wù)中將峰值信噪比提升12%。

目前研究團隊正與半導(dǎo)體企業(yè)合作推進7納米制程工藝開發(fā)。模擬顯示，采用先進制程的芯片可將神經(jīng)元密度提升至每平方毫米10萬個，較現(xiàn)有GPU運算單元密度提高三個數(shù)量級。這項技術(shù)有望在五年內(nèi)實現(xiàn)商業(yè)化，為自動駕駛、實時語音翻譯等領(lǐng)域帶來革命性變化。

來源：快科技

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