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华人博士芯片造脑:神经拟态计算能像人脑一样“低能耗”

作者: 新智元

时间: 2020-04-22 12:36

想要打造类脑计算机,最主要的是要模拟突触。近日,类脑计算又出新突破,马萨诸塞州立大学研究小组利用蛋白质纳米线作为生物导线,制造神经形态忆阻器,能在人类大脑同样的电压下运作,模拟大脑方式接受信息。功臣竟然是小小的地杆菌,能导电还能还原金属。

差不多 10 年前,在神经拟态计算领域,科学家们就开始琢磨一种叫做忆阻器的微型工具,这种工具能够像真正的大脑突触一样工作。这在当时还是一个遥不可及的梦想。

想要打造类脑计算机,最主要的是要模拟突触。要知道,人脑的工作主要依赖突触在神经元之间传递信号。人脑中,突触数量约为神经元的 10000 倍,因此最关键的是如何获得功耗低、可高密度集成的人工突触器件,这时结构简单又节能的电子元件忆阻器就排上了用场。而且忆阻器能够在电源关闭之后,仍能“记忆”先前通过的电荷量。

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10 年以后,梦想照进现实,一种更优质的忆阻器诞生了。

运行电压不到传统计算机的 8%,神经拟态忆阻器和大脑一样节能

马萨诸塞州立大学阿姆斯特分校的一个研究小组发现,他们利用蛋白质纳米线来作为生物导线,来制造神经拟态忆阻器,或者说“记忆晶体管”。

和大脑突触一样,它在非常低的能耗下高效运行,在神经元之间传递信号。节能又环保,非常好用!

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从微生物地杆菌中提取的蛋白质纳米线(绿色),促进了记忆电阻器装置(银色)在生物电压下工作,模拟了大脑中的神经元组件(蓝色连接)

正如第一作者、电子计算机工程博士 Tianda Fu 解释的那样,神经形态计算机最大的障碍之一,是大多数传统计算机的运行电压超过 1 伏,而大脑神经元之间的电压要低很多,一般在 80 毫伏以下,在这种电压下发送信号,也就是动作电位。

Fu 表示,利用马萨诸塞大学安姆斯特分校由微生物学家 Derek Lovely 从地杆菌上取下来的蛋白质纳米线,他现在已经将记忆电阻器的电压调整到了神经拟态的电压水平。这些测试是在电子计算工程研究员 Jun Yao 的实验室进行的。

Yao 说: “这是有史以来第一次一个设备可以在与大脑相同的电压水平下工作。我们造出的这个设备,和大脑中的生物成分一样节能,真正实现了超低功耗计算能力。这是一个重大的概念上的突破,我们认为,它将在生物电子学领域激发更广大的探索空间。”

能导电还能还原金属,功臣竟然是小小细菌?

这种地杆菌很神奇,他喜欢电,就像皮卡丘。

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地杆菌

地杆菌,学名叫地杆菌科细菌,是一种非常重要的异化 Fe(Ⅲ)还原菌,广泛分布于 Fe(Ⅲ)还原环境,比如淡水沉积物、有机物或重金属污染的地下水沉积层等,具有重要的生物修复功能。

这种地杆菌上面的蛋白质纳米线应用范围很广,能导电,同组研究人员此前曾开发过一种发电装置,也是借助这种蛋白质,利用空气中的水分就能发电。

研究人员指出,地杆菌的导电蛋白纳米线和昂贵的硅纳米线相比,有很多优点,因为硅纳米线会产生有毒的化学物质,生产过程也会消耗大量能量。

相比之下,地杆菌蛋白质纳米线在水或体液中也更稳定,这对于生物医学的应用至关重要。Fu 和 Yao 对这些纳米线进行了很多测试,比如,测试它们在不同电压下的性能。他们自己设计了一个电子脉冲开关,通过一个微小记忆电阻里的金属线发送正负电荷。

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他们之所以用金属丝,是因为蛋白质纳米线可以促进金属还原,改变金属离子的反应性和电子转移性能。地杆菌拥有这种神奇能力并不奇怪,因为它也要呼吸,用化学方式还原金属,来获取能量,就和人要呼吸氧气一样。

《自然》上发表的论文中具体解释了,蛋白质纳米线可以促进银(Ag + )的还原。由于还原发生在生物环境中,表明他们能够催化生物电压记忆电阻器。因此,研究员利用蛋白质纳米线构建了银记忆电阻器,方便切换。

Yao 解释说,随着脉冲开关在金属丝中变化,这个比人类头发直径小 100 倍的微型装置创造出了新的分支和连接,就和人类的大脑一样。产生新的连接的过程,和人类大脑中学习新事物,接受新信息的过程是一样的。

现代神经科学中,大脑就是一种生物计算机,虽然运行机制和传统计算机很不一样,但是它们用类似的方式从周围世界中获得信息、存储信息、处理信息,从这个意义上讲,大脑就是计算机中的中央处理器(CPU)。

Yao 补充说,“你可以调节纳米线记忆电阻突触的传导性或可塑性,这样它就可以模拟大脑中用于计算的生物组件。”与传统计算机相比,这种设备的学习能力明显不是基于软件。

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读博期间一年连发 2 篇 Nature,论文一作 Tianda Fu 讲述实验过程艰辛

根据第一作者 Tianda Fu 的 Facebook 显示,他中学就读于北大附中,大学时期在重庆大学。

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头像

博士期间就读于 UMass Amherst(马萨诸塞大学安姆斯特分校),攻读电气与计算机工程技术,目前在该校担任 Graduate Research Assistant。

UMass Amherst 始建于 1863 年,是享誉世界的美国著名公立大学系统麻省大学系统旗舰校区,也是建校最早的校区,为世界大学联盟成员。

根据 Google 学术,他的研究方向是生物电子以及忆阻器。算上本次发布的论文,共计发表论文 6 篇,其中 2020 年有 2 篇发布在 Nature 上,一篇发布在 Nature communications。

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Google 学术

Fu 的研究过程也并非一帆风顺。他回忆说: “第一批实验当中,纳米线的性能差强人意。” 在两年多的时间里不断反复尝试,直到有一天,电脑屏幕上显示的电压测量结果让他大吃一惊。

“我还记得那一天。在测量电压时,我们一直盯着电脑屏幕看。电压一直在下降,我俩说,哇,起作用了,简直太激动了。”

这项研究未来有广阔的应用前景,比如说可以用于监测心率的装置。Fu,Yao 和同事们将继续针对忆阻器中蛋白质纳米线的化学、生物学和电子学应用进行全面的探索。Yao 补充说: “有朝一日希望这种装置能够与生物系统中的真实神经元进行对话。”

芯片造脑,科幻照进现实

以往的研究中,不同的神经系统有着不同的神经元模型,突触模型和网络模型。

2016 年, IBM 制造出世界首个人造纳米级随机相变神经元芯片,可实现人工智能的高速无监督学习。这一成果主要在于神经拟态计算方向,是以新器件的方式直接模仿脉冲神经元的行为。可以实现大尺度的图像识别,信号传输速度快,功耗低。

2019 年,英特尔公司展示了其最新的可模拟 800 多万个神经元的 Pohoiki Beach 芯片系统,标志着人类向机器模拟大脑又近了一步。这个新型芯片拥有 800 多万个“神经元”(相当于某些小型啮齿动物的大脑)和 80 亿个“突触”。

它在人工智能任务执行中执行速度比传统的 CPU 要快一千倍,能效提高一万倍。这一芯片系统已被应用于模拟皮肤触觉感应、控制假腿及玩桌球游戏上等任务中。它在图像识别、自动驾驶和自动化机器人上带来巨大提升。

近日,发表在《自然机器智能》杂志上的一篇文章指出,英特尔的神经拟态芯片 Loihi 习得了 10 种危险品不同气味的特征。它的深度学习能力建立在大数据分析之上,去模拟人类嗅到气味的大脑运行机制。这一发现,拥有“嗅觉”神经拟态芯片机器人在监测环境,检测危险物质,等方面有很大的商用潜力。如应用在机场安检区域,能够高效识别有危害的物质。

神经拟态芯片不断发展,未来类脑计算也将渗透在我们生活的方方面面。

参考链接:

https://phys.org/news/2020-04-unveil-electronics-mimic-human-brain.html

https://www.nature.com/articles/s41467-020-15759-y

本文经授权转载自“新智元”微信公众号,感谢原作者的分享。

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