高可靠性人工突觸半導(dǎo)體器件問世

科技日報北京9月21日電 （記者張夢然）韓國科學(xué)技術(shù)研究院（KIST）神經(jīng)形態(tài)工程中心研究團(tuán)隊宣布開發(fā)出一種能進(jìn)行高度可靠神經(jīng)形態(tài)計算的人工突觸半導(dǎo)體器件，解決了神經(jīng)形態(tài)半導(dǎo)體器件憶阻器長期存在的模擬突觸特性、可塑性和信息保存方面的局限。研究成果近日發(fā)表在《自然·通訊》雜志上。

模仿人腦的神經(jīng)擬態(tài)計算系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)運而生，克服了現(xiàn)有馮諾依曼計算方法功耗過大的局限。實現(xiàn)使用大腦信息傳輸方法的半導(dǎo)體器件需要一種能表達(dá)各種突觸連接強(qiáng)度的高性能模擬人工突觸裝置。當(dāng)神經(jīng)元產(chǎn)生尖峰信號時，這種方法使用神經(jīng)元之間傳輸?shù)男盘枴?/p>

KIST團(tuán)隊微調(diào)了活性電極離子的氧化還原特性，以解決阻礙現(xiàn)有神經(jīng)形態(tài)半導(dǎo)體器件性能的小突觸可塑性。研究團(tuán)隊在突觸裝置中摻雜和使用各種過渡金屬，以控制活性電極離子的還原概率。研究發(fā)現(xiàn)，離子的高還原概率是開發(fā)高性能人工突觸裝置的關(guān)鍵變量。

因此，研究團(tuán)隊將具有高離子還原概率的鈦過渡金屬引入現(xiàn)有的人工突觸裝置中。這保持了突觸的模擬特性和生物大腦突觸處的設(shè)備可塑性，大約是高電阻和低電阻之間差異的5倍。此外，他們開發(fā)了一種高性能的神經(jīng)形態(tài)半導(dǎo)體，其效率大約提高了50倍。

此外，由于摻雜鈦過渡金屬的高合金形成反應(yīng)性，與現(xiàn)有的人工突觸裝置相比，信息保留率提高了63倍。此外，包括長期增強(qiáng)和長期抑郁的大腦功能可更精確地模擬。

該團(tuán)隊使用開發(fā)的人工突觸設(shè)備實現(xiàn)了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)模式，并嘗試了人工智能圖像識別學(xué)習(xí)。結(jié)果，與現(xiàn)有的人工突觸裝置相比，錯誤率降低了60%以上；此外，手寫圖像模式識別準(zhǔn)確率提高了69%以上。研究團(tuán)隊通過這種改進(jìn)的人工突觸裝置證實了高性能神經(jīng)形態(tài)計算系統(tǒng)的可行性。

研究人員表示，這項研究極大地改善了突觸的運動范圍和信息保存，這是現(xiàn)有突觸模擬的最大技術(shù)障礙。新開發(fā)的人工突觸裝置表達(dá)突觸各種連接強(qiáng)度的模擬運算區(qū)域得到了最大化，因此基于大腦模擬的人工智能計算的性能將得到提升。

【總編輯圈點】

人腦的學(xué)習(xí)和記憶能力，來自近千億個神經(jīng)元與突觸互連的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。受大腦認(rèn)知的啟發(fā)，神經(jīng)形態(tài)計算應(yīng)運而生，并以效仿生物的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為目標(biāo)。在本研究中，改進(jìn)的人工突觸顯示出類腦人工智能的基本要素，且具有優(yōu)于馮諾依曼架構(gòu)性能的潛力。但最終，它還需兼具高可擴(kuò)展性和成本效益，才可以真正為開發(fā)有高級認(rèn)知功能的神經(jīng)形態(tài)智能計算機(jī)鋪路。