科学家设计出人工神经突触，“人脑芯片”问世指日可待学术资讯

▲美国麻省理工学院（MIT）的工程师们

在人类大脑这个粘糊糊、足球大小的器官里，大约有一千亿个神经元。在任何特定的时刻，单个神经元都可以通过神经突触将指令传递给成千上万的其它神经元，而突触就是神经元之间或者神经元与效应器细胞之间相互接触、并借以传递神经递质的间隙部位。据统计，人类大脑中有超过一百万亿个调节神经元信号的突触，它们要么增强某些神经连接，要么删减某些连接，而这个过程可以帮助大脑识别模式、记忆事实，并以闪电般的速度完成其它学习任务。

“神经形态计算学”是一门新兴的学科，该领域的研究人员正力图设计出具有人脑形态的电脑芯片。与今天进行二进制运算并传递开关信号的数字芯片不同，“人脑芯片”上的各种元件将模拟方式进行运算，交换的是一系列呈梯度的信号或“负荷量”,就像神经元会根据流经突触的离子的类型和数量以不同的方式激活。

通过这种方式，微型的神经形态芯片能像大脑一样有效地并行处理数以百万计的计算任务，而该工作目前只有大型的超级计算机才能实现。但是，之前开发这种便携式人工智能的一大技术瓶颈就是无法模拟人类大脑的神经突触，在计算机硬件上要复制这种功能尤为困难。

1月22日发表在《自然·材料》（《自然》子刊，Nature Materials）杂志上的一篇论文称，美国麻省理工学院（MIT）的工程师们设计了一种人工神经突触，可以精确地控制流经它的电流的强度，类似于人类大脑中神经元之间的离子流动。这一设计成果是发明便携式低功率的神经形态芯片之路上的重大进展，一旦该发明问世，它将被用于模式识别和其它学习任务。目前该研究团队已使用硅锗材料成功制造出一块带有人工神经突触的微型芯片，并且在相关模拟试验中发现该芯片及其突触可以用来识别手写笔迹样本，准确率高达95%。

该项研究由MIT机械工程和材料科学与工程学系的助理教授金志奂（音译，Jeehwan Kim）所领导，他也是该校电子学研究实验室与微系统技术实验室的首席研究员。金和同事们没有采用非晶材料作为制造人工神经突触的材料，而是选取了单晶硅，它是由连续的原子有序排列而成的，是一种无缺陷的完美导电材料。研究小组试图利用它制造出一种精确的一维线状缺陷或位错，以便让离子在硅材料中的流动得到预测。

在最后的试验中，金的团队探索了神经形态芯片在执行实际学习任务时的表现，具体来说，就是识别手写笔记的样本。研究人员认为，对于该芯片来说，这是第一个具有实用价值的测试。测试中，该芯片将由“输入神经元”、“隐藏神经元”以及“输出神经元”组成，每个神经元都通过丝状体的人工神经突触连接到其它“神经元”。

该研究团队目前正在开发一块能在现实中执行手写笔迹识别任务的神经形态芯片，而不仅仅是在模拟试验中。“最终，我们想设计出一块像指甲大小的芯片来取代大型超级计算机，这将为生产真正的人工智能底层硬件铺垫下一块关键的奠基石。”

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编译：朱明逸审稿：三水编辑：张梦

来源：https://www.sciencedaily.com/releases/2018/01/180122150803.htm