来自 科技 2021-10-01 20:19 的文章

哈佛和三星联合发文,提出一种类似大脑的芯片

人脑具有无可比拟的优势,比如功耗低、学习速度快、对环境的适应能力强,更重要的是自主性和认知性。这些优点的背后,是人脑至少有1000亿个神经元,大约等于银河系的恒星数量。这些神经元构成了10 15个神经连接,将复杂的相连神经首尾相连,全长超过18万公里。
理解大脑连接图是逆向工程的关键。神经形态学工程始于20世纪80年代,旨在在硅片上模拟这种神经网络的结构和功能。
到目前为止,科学家对脑图的了解仍然有限。因此,神经形态工程的目标也是下一个最好的,包括设计一个“大脑启发”的芯片,而不是严格模仿它。最近,哈佛大学的研究人员和三星galaxy的R&D团队在国际学术期刊《自然电子》上联合发表了一篇《行业视角》文章,提出了模拟人脑芯片的愿景,以及将大脑神经元连接图“复制粘贴”到高密度3D存储网络上的可能性。文章题目是“基于复制粘贴大脑的神经形态电子学”。本文作者为哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院教授、三星电子高级技术研究院研究员、哈佛大学物理系教授朴鸿坤、三星SDS CEO黄成宇、三星电子副总裁兼CEO Kim Kinam,均为本文共同作者。
 
左起:韩东熙、洪坤公园、黄成宇、金基南。三星电子官网
 
在这篇文章中,作者探讨了这些当前神经形态工程方法的可能性和局限性,并为神经形态电子学提供了一个愿景。通过将先进的神经科学工具与最先进的记忆技术相结合,这一领域将回到最初的目标——逆向工程大脑。
他们指出,目前的神经形态电子学一般分为两类,即人工神经网络(ANNs)驱动和脑自然神经网络(NNN)驱动。人工神经网络是机器学习的框架,产生了一系列强大的人工智能应用。人工神经网络需要精确的计算,最好用数字的方法来实现。自然神经网络是自然智能的基础,其动力来自电化学反应。作者指出,与人工神经网络相比,自然神经网络擅长不同的任务:它们可以很容易地从很少或很差的数据中学习,能够适应环境,并具有自主性和认知能力。“这些差异表明,我们仍然知之甚少的自然神经网络的组织原理与人工神经网络的组织原理有很大不同。”
在目前的技术约束下,作者认为构建具有独特计算能力并最终实现自主性和认知性的自然神经网络电路面临根本挑战,而提供类似大脑的智能硅芯片仍是遥远的前景。作者提出的愿景本质可以概括为“复制”和“粘贴”。他们提出,应该利用东熙汉姆(Donhee Ham)和洪坤朴(Hongkun Park)团队开发的CMOS纳米电极阵列(CNEA)来“复制”大脑神经元连接图,并将其“粘贴”到三星电子的高密度3D固态存储网络上。
上述CMOS纳米电极阵列此前由哈佛大学研究团队完成。去年,这项研究发表在《自然生物医学工程》上。研究团队在半导体芯片上制作了具有4096个记录和刺激电极的CMOS纳米电极阵列,芯片上有4096个电子通道,可以同时记录数千个神经元的突触连接。
据研究团队介绍,纳米电极阵列可以有效进入大量神经元,高灵敏度记录神经元电信号。这些并行的细胞内信号记录可以为神经元连接图提供信息。因此,从这些记录中提取或“复制”神经元连接图是可能的。
经过“复制”,研究团队假设神经元连接图可以“粘贴”到非易失性存储器(NVM)中,比如我们日常生活中使用的固态硬盘(SSD)的闪存,或者“新”存储器,比如RRAM。作者认为,所有这些存储芯片都可以作为存储网络的载体。
此外,本文还提出了一种将神经元连接图快速“粘贴”到存储网络上的策略。他们提出,由专门设计的非易失性存储器组成的网络可以学习和表达由细胞中记录的信号直接驱动的神经元连接图。这是一种将大脑神经元连接图直接下载到存储芯片的方案。
作者还指出,人类大脑估计至少有1000亿个神经元,它们形成的突触连接是神经元数量的1000多倍。因此,用于“复制”的神经形态芯片将有能力存储100万亿个虚拟神经元和突触数据。
据三星电子介绍,三星电子主导的“3D集成技术”开创了内存行业的新时代,可以将这么多内存芯片集成在一个芯片上。三星电子计划利用其在半导体制造方面的领先经验,继续开展神经科学方面的研究,从而扩大其在下一代人工智能半导体领域的领先地位。
Donhee Ham说,“我们提出的愿景非常雄心勃勃,但朝着这样一个雄心勃勃的目标努力,我们将推动机器智能、神经科学和半导体技术的边界。”