麻省理工設計出一種人造突觸晶片，能以類似大腦神經元方式傳遞訊息

作者 Nana Ho | 發布日期 2018 年 01 月 25 日

(圖片來源:Andrii Vodolazhskyi/Shutterstock)

儘管科技已經如此進步發達，但對於那些在人工智慧（AI）領域的研究者來說，讓電腦模擬大腦活動仍是一項龐大的任務，如果硬體能夠設計更像大腦的硬體，那麼管理起來將會更容易。

是的，大家都是這麼想的，那麼話說回來，究竟這個「期望」有多麼困難？日本研究單位 5 年前就曾經進行過一項大腦活動模擬測試，這個運用世界上最強大超級電腦之一所進行的例子應該能做為一些參考。

2013 年時，日本理化學研究所（Riken）運用超級電腦「京」（K computer）進行的對大腦活動的模擬測試；「京」一共使用了 82,944 個處理器和 1 PB（約 1,000 TB）主記憶體，幾乎相當於當時 25 萬台電腦的運算單位。

這樣一台電腦為了模擬大腦中 10.4 兆突觸所連接的 17.3 億神經元活動的 1 秒鐘，就花上 40 分鐘；儘管聽起來已經非常厲害，但事實上是，這一切仍只是大腦活動中的百分之一。

即使是現在，大腦仍比任何電腦都還更強大，它包含了 800 億神經元和超過 100 兆個神經突觸，隨時都在控制訊息流通，相較之下，目前電腦晶片仍以二進制語言傳輸訊號，每條訊息都以 1、0 編碼。

科學家認為，如果晶片運用類似突觸的連接方式，電腦使用的訊號將可能更多樣化，進而實現「突觸式」學習。

大腦中，突觸負責「管理」訊息的傳遞，而神經元則會根據穿過突觸的離子數量和種類來動作，這些都幫助大腦識別模式、記住事實並執行任務；科學家將這種新興研究領域稱為神經形態工程學（Neuromorphic engineering）。

迄今為止，想要讓晶片擁有這種學習方式已被證明是困難的，但 ScienceAlert 報導指出，隨著麻省理工（MIT）工程師成功克服障礙設計出一種由矽鍺（SiGe）製成的人造突觸晶片，未來「突觸式」學習的發展將有可能達成。

過去神經形態晶片的設計是使用非晶體做為「開關媒介」，分隔開兩個導電層以發揮突觸的作用。但這種方法存在的問題是，如果沒有定義結構性的傳播路徑，訊息就會有無數的路徑可以傳遞，而這帶來晶片的不一致及不可預測性。

為了避免非晶體為晶片帶來的不均勻性，團隊創造了只有一維通道的矽鍺晶格，確保離子每次流動時都使用完全相同的路徑，接著團隊再使用這些晶格打造神經形態晶片，就像是大腦神經元之間的電流，這種晶片也可精準控制其中流動的電流強度。

團隊計畫下一步將實際打造出能夠執行手寫辨識的晶片，最終目標則是創造攜帶式神經網路裝置。在 Kim 看來，這項研究就像一塊墊腳石，帶領人們走向生產真正的 AI 硬體目標前進，「我們希望最終能以一個指甲大小的晶片，來取代巨大的超級電腦。」

這項研究已發表在《自然─材料》（Nature Materials）期刊。