語(yǔ)音識(shí)別、圖像識(shí)別、自然語(yǔ)言處理……近年來(lái)，源于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)概念的深度學(xué)習(xí)飛速發(fā)展，大有挑戰(zhàn)人類(lèi)唯我獨(dú)尊的態(tài)勢(shì)。盡管如此，很多業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，人工智能發(fā)展的終極路線，離不開(kāi)在硬件上模擬人腦的“電子大腦”。

采用傳統(tǒng)硅基晶體管的電路來(lái)模擬人腦中的突觸或者神經(jīng)元的功能，不僅耗費(fèi)大量硬件資源，而且執(zhí)行信息處理的過(guò)程極其耗能。因此找到合適的材料，構(gòu)建出可以模擬人腦運(yùn)行的類(lèi)腦器件，以及由這些器件集成的硬件類(lèi)腦系統(tǒng)，是人工智能能否實(shí)現(xiàn)像人腦那樣“靈光”的關(guān)鍵。

近日，南京大學(xué)物理學(xué)院繆峰教授團(tuán)隊(duì)分別在類(lèi)腦視覺(jué)傳感器和可重構(gòu)類(lèi)腦電路方面取得重要進(jìn)展。這些研究成果發(fā)表在權(quán)威期刊《科學(xué)·進(jìn)展》和《自然·電子學(xué)》上。

像搭“樂(lè)高”一樣，搭出類(lèi)腦視覺(jué)傳感器

“傳統(tǒng)的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)需要先探測(cè)再處理，使用的圖像傳感器在探測(cè)目標(biāo)圖像的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量冗余信息，此類(lèi)信息通過(guò)有限的帶寬再傳輸至計(jì)算機(jī)，會(huì)導(dǎo)致較大的時(shí)間延遲和較高的功耗。人眼不僅可以同時(shí)探測(cè)、處理信息，而且整體功耗極低。”繆峰團(tuán)隊(duì)成員梁世軍副研究員說(shuō)。

人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)強(qiáng)大的信息處理能力，很大程度上依賴(lài)于視網(wǎng)膜的獨(dú)特結(jié)構(gòu)和功能。視網(wǎng)膜中的主要細(xì)胞包括感光細(xì)胞、雙極細(xì)胞等，這些細(xì)胞之間呈現(xiàn)出垂直分層的結(jié)構(gòu)。

光透過(guò)瞳孔入射到視網(wǎng)膜上后，感光細(xì)胞將入射光轉(zhuǎn)換為電學(xué)信號(hào)，流經(jīng)雙極細(xì)胞，電學(xué)信號(hào)會(huì)得到一定的預(yù)加工和處理。加工后的信息僅僅保留原圖像的主要特征，再傳輸至大腦皮層進(jìn)行進(jìn)一步的圖像處理和理解。通過(guò)這種方式，視網(wǎng)膜在一定程度上實(shí)現(xiàn)了信息探測(cè)和處理的同步進(jìn)行。

“二維材料具有原子的尺寸和有別于傳統(tǒng)三維材料的全新物理性質(zhì)，而且對(duì)外界刺激響應(yīng)靈敏。更為有趣的是，二維材料具有非常好的垂直擴(kuò)展性，我們可以像‘搭樂(lè)高’一樣，在原子世界里，將性質(zhì)迥異的多種二維材料按照不同的順序堆垛，制造出自然界并不存在的新型結(jié)構(gòu)材料。”繆峰說(shuō)。

他的團(tuán)隊(duì)采用“原子樂(lè)高”的方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)和功能的模擬。科研人員將二硒化鎢、氮化硼以及氧化鋁制備成垂直異質(zhì)結(jié)器件，這些垂直結(jié)構(gòu)不僅能自然地模仿視網(wǎng)膜的垂直分層結(jié)構(gòu)，而且所包含的不同二維材料還可用來(lái)模擬視網(wǎng)膜中不同細(xì)胞的功能。

“通過(guò)控制垂直異質(zhì)結(jié)器件的柵壓，我們實(shí)現(xiàn)了對(duì)感光細(xì)胞和雙極細(xì)胞生物功能的模擬，器件的響應(yīng)時(shí)間和功耗均接近人類(lèi)視網(wǎng)膜的水平——響應(yīng)時(shí)間小于10毫秒，功耗小于10納瓦。”繆峰說(shuō)。

打造二維“可重構(gòu)”器件，讓類(lèi)腦電路“瘦身”

目前，主流的信息處理技術(shù)依賴(lài)于馮·諾依曼架構(gòu)，在這種架構(gòu)中，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和計(jì)算是分開(kāi)進(jìn)行的。數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)和計(jì)算單元之間來(lái)回“搬運(yùn)”，會(huì)產(chǎn)生較大的延時(shí)和較高的功耗，隨時(shí)有“交通堵塞”的風(fēng)險(xiǎn)。而人腦的神經(jīng)結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)大的信息處理能力，即使做大量的腦力活動(dòng)，也只有20瓦左右的功耗。所以，近年來(lái)，科學(xué)家們不斷嘗試采用類(lèi)似人腦神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)電路，以提升算力、降低功耗。

人腦中神經(jīng)元之間連接的部分被稱(chēng)為突觸，它不僅具有記憶的能力，而且能夠根據(jù)所傳遞的信號(hào)，調(diào)整傳遞效率。模仿此類(lèi)運(yùn)算模式的類(lèi)腦電路，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行傳送和分布式處理，并能夠低功耗實(shí)時(shí)處理海量數(shù)據(jù)。

“如何用更少的硬件，實(shí)現(xiàn)更多的運(yùn)算，這需要電路具有可重構(gòu)的特性。但目前主流的可重構(gòu)電路是基于傳統(tǒng)的硅基電路，構(gòu)成這些電路的晶體管器件具有單一的電學(xué)特性，一旦制備完成，就無(wú)法通過(guò)電學(xué)操作實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換。只有通過(guò)耗費(fèi)大量的晶體管，來(lái)構(gòu)建復(fù)雜的電路，才能讓電路擁有可重構(gòu)的計(jì)算能力。”繆峰說(shuō)，他的團(tuán)隊(duì)利用二維層狀半導(dǎo)體材料二硒化鎢，設(shè)計(jì)出電場(chǎng)可調(diào)的二維同質(zhì)結(jié)(ETH)器件，這種器件會(huì)表現(xiàn)出8種不同的電流開(kāi)關(guān)狀態(tài)，從而在器件層面實(shí)現(xiàn)了“可重構(gòu)”的電流開(kāi)關(guān)特性。

“在大腦神經(jīng)系統(tǒng)中，一個(gè)神經(jīng)元需要與多個(gè)神經(jīng)元之間互聯(lián)來(lái)進(jìn)行信息的傳遞和處理，這與傳統(tǒng)晶體管器件單一端口的控制方式完全不同，所以擁有多端信號(hào)傳遞和多種電流開(kāi)關(guān)狀態(tài)的ETH器件，可以用來(lái)設(shè)計(jì)類(lèi)似大腦的能夠滿足不同信息處理需求的類(lèi)腦電路。”繆峰介紹，在傳統(tǒng)的類(lèi)腦芯片中，需要耗費(fèi)超過(guò)10個(gè)晶體管，才能模擬生物突觸的功能，這在很大程度上會(huì)限制傳統(tǒng)類(lèi)腦芯片的集成度。但研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的可重構(gòu)突觸電路，僅需利用3個(gè)ETH 器件和一個(gè)電容元件。

繆峰說(shuō)，這意味著，通過(guò)設(shè)計(jì)電場(chǎng)可調(diào)的ETH器件，在確保器件與電路都具有可重構(gòu)功能的同時(shí)，可以大幅降低電路晶體管資源的消耗。“一方面有利于芯片的小型化和功能密度的提升，另一方面也能降低芯片的整體能耗，有望助力物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計(jì)算、人工智能等應(yīng)用的快速發(fā)展。”

(記者 金 鳳)