俄亥俄州立大學(xué)研究：香菇菌絲體可以造芯片

高端芯片行業(yè)在技術(shù)上面臨摩爾定律失效的問題，在能源上要應(yīng)對AI這個耗電大戶，在制作上又要時刻關(guān)注稀土動態(tài)，怪不得頭部企業(yè)、科研團(tuán)隊一直都想做神經(jīng)計算芯片也就是類腦芯片，因為它耗能比一個燈泡還低，又能存算一體、平行計算。

造類腦芯片除了走半導(dǎo)體模仿的老路，還可以直接“培養(yǎng)”一個“神經(jīng)類器官”，再將其作為未來計算機(jī)的核心元件“憶阻器”——而香菇則在其中用處頗大。

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在蘑菇中找“大腦”

除了用來吃，香菇還能當(dāng)電子元器件？這也太天方夜譚了吧？近日，美國俄亥俄州立大學(xué)的研究團(tuán)隊在這個我們熟悉的食材上發(fā)現(xiàn)了“玄機(jī)”。當(dāng)然，他們不是真的要用香菇干什么，而是看上了香菇生長時藏于地底或木材的菌絲體（mycelium），也就是蘑菇的根。

這個由許多細(xì)長的菌絲構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)廣泛存在于自然界，是真菌吸收養(yǎng)分、生長繁殖的重要結(jié)構(gòu)。可別小看了菌絲體，這可是天然的“光纖網(wǎng)絡(luò)”，本來就具有一些“類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”的特征，比如電信號傳輸能力。

另外它們還超好養(yǎng)，丟一點小麥、干草、胚芽等農(nóng)業(yè)廢料就能長出一大片；重點是它還抗輻射，這意味著哪怕把它們丟到外太空都能存活。

于是研究團(tuán)隊先培養(yǎng)香菇和蘑菇的菌絲體，等它們的菌絲體成熟后，將其脫水以保持穩(wěn)定性。這時候硬化的菌絲體就像我們買干香菇，等用的時候再泡泡水就能恢復(fù)原樣。

可不要小看曬干這一步。以往的實驗中，不是沒人想過培育神經(jīng)類器官作為元器件，但總是有“濕漉漉”這一致命缺陷。脫水后的菌絲體，等到要用的時候也會撒點水，讓它微“活”過來；但也不能太濕潤，以至于破壞它的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

香菇的菌絲體接至特制的電子電路

之后，研究人員將其接至特制的電子電路，通上不同電壓和頻率的電流，觀察其變化。香菇的菌絲體雖然沒在通電中真的復(fù)活，但也確實出現(xiàn)一個過人之處：它竟然有了記憶，它能記住電流是怎么通過自己的，這可是電子元件“憶阻器”的重要特征。

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菌絲體和憶阻器的共同DNA

所謂的有記憶，是指在實驗中，隨著電壓變化，菌絲體內(nèi)的離子通道會打開或關(guān)閉，改變其導(dǎo)電性，而且這種變化會被“記憶”下來——怎么判斷它能記下，又為什么說這是憶阻器的重要特征？

先說說什么是憶阻器。用水龍頭來舉例，普通水龍頭你擰開多大，水流就是多大；一關(guān)掉，水流就停了，它對你之前擰過多少次、擰過多大沒有任何記憶，永遠(yuǎn)只“響應(yīng)當(dāng)下”。

但如果這個水龍頭有記憶呢？如果你把它開到最大再關(guān)上，那么下次只要輕輕一擰，它就會自動噴出很大的水流。反之，如果你之前一直只開得很小，它下次就會“懶洋洋”地流出一點點水。這就是所謂的“有記憶”，它能記得你過去的使用習(xí)慣，并根據(jù)使用歷史來改變自己的行為。

電氣原理也一樣，水流量對應(yīng)電流，水壓對應(yīng)電壓，而水龍頭的開合程度對應(yīng)電阻。普通元器件的電阻數(shù)值是固定的，而“有記憶的電阻”就是我們常說的憶阻器（Memristor），它的電阻值會隨著流經(jīng)它的電流或所承受的電壓變化而改變。更神奇的是，即使你完全斷電，它仍然能“記住”上一次的狀態(tài)，直到下次通電時再被更新。

隨著對人類大腦研究的深入，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)人類的大腦突觸也是這么工作的。當(dāng)一個信號頻繁地在神經(jīng)元之間傳遞時，這個突觸連接會變強(qiáng)，就像電阻變小；如果長期不用，它就會變?nèi)酰拖耠娮枳兇蟆?/p>

這種可變的連接強(qiáng)度正是我們?nèi)祟悓W(xué)習(xí)和記憶的物理基礎(chǔ)。于是，憶阻器就成為了類腦芯片的理想基本單元。

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我們怎么知道它能記住？

現(xiàn)在再來說說怎么判斷出菌絲體有了憶阻器的DNA。

在實驗中，研究人員不是靠“問”的，而是靠“看”的，他們使用一種標(biāo)準(zhǔn)的方法來檢測憶阻行為，即繪制“電流-電壓特性曲線（I-V曲線）”。

實驗中的電路結(jié)構(gòu)示意圖

他們先向香菇菌絲體施加了一個周期性變化的電壓，比如讓電壓從0到正最大，回到0，再到負(fù)最大，再回到0。同時，他們精確測量流過菌絲體的電流。這個過程中，他們以電壓為橫坐標(biāo)，電流為縱坐標(biāo)，把整個周期內(nèi)每一個電壓點對應(yīng)的電流值描點連線。

關(guān)鍵來了，對于普通電阻器，它的I-V曲線是一條筆直的直線：電壓大電流就大，電壓小電流就小，來回的路徑完全重合，沒有“記憶”。但如果這個材料是憶阻器，你就會看到一個神奇的現(xiàn)象：當(dāng)電壓從正半周變?yōu)樨?fù)半周時，電流走的“路”和從負(fù)半周回到正半周時走的“路”不重合了，這兩條路徑會形成一個環(huán)！

這個環(huán)，就是“記憶”的鐵證，它的學(xué)名叫“鉗點滯后環(huán)（pinched hysteresis loop）”。這個環(huán)的存在本身就證明了，元器件的電阻不是由瞬時電壓唯一決定的，而是由其歷史決定的。

也可以說“鉗點滯后環(huán)”就像是憶阻器的“指紋”，抓住它，就抓住了憶阻器的核心。

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更環(huán)保的未來“憶阻器”

從研究結(jié)果來看，當(dāng)這個菌絲體被作為隨機(jī)存儲器（RAM）使用時，這些“蘑菇記憶電阻”可以以每秒5850次的速度，在不同電子狀態(tài)之間切換，且準(zhǔn)確率高達(dá)90%。

雖然電壓上升時，效能會下降，但只要接上更多的蘑菇，就能再次提升效能。換句話說，用蘑菇制作的設(shè)備，正展現(xiàn)出與半導(dǎo)體晶片相似的記憶效應(yīng)，有望制作出低成本且環(huán)保的元器件。

該研究的第一作者拉羅可（John LaRocco）表示：“如果能夠用真菌發(fā)展出芯片，未來當(dāng)設(shè)備待命或停止運(yùn)行時，將不需要大量耗電，這能帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。”

他指出，與傳統(tǒng)的記憶電阻相比，不必過度依賴稀土礦物與電力——這對于每個缺少稀土、電力的國家都是一個誘惑。只不過要實現(xiàn)這個目標(biāo)，產(chǎn)品的一致性、響應(yīng)速度、微型化等都是挑戰(zhàn)所在。

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編輯｜張毅

主編｜黎坤

總編輯｜吳新

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