據(jù)IEEE報(bào)道，一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，其推出的人工神經(jīng)元（New artificial versions of the neurons and synapses）和突觸比人腦的神經(jīng)元小 1000 倍，比生物突觸快至少 10000 倍。

研究人員表示，這些新設(shè)備可能有助于提高被稱(chēng)為深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的日益普遍和強(qiáng)大的人工智能系統(tǒng)的學(xué)習(xí)速度。

在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，被稱(chēng)為“神經(jīng)元”的電子元件被輸入數(shù)據(jù)并協(xié)同解決問(wèn)題，例如識(shí)別圖像。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反復(fù)調(diào)整其 ersatz 神經(jīng)元之間的聯(lián)系，并查看由此產(chǎn)生的行為模式是否更適合找到解決方案。隨著時(shí)間的推移，網(wǎng)絡(luò)會(huì)發(fā)現(xiàn)哪些模式最適合計(jì)算結(jié)果。然后它采用這些作為默認(rèn)值，模仿人腦中的學(xué)習(xí)過(guò)程。

如果一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擁有多層神經(jīng)元，它就被稱(chēng)為“深度” 。深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越多地用于分析醫(yī)學(xué)掃描、設(shè)計(jì)微芯片、預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)如何折疊和增強(qiáng)自動(dòng)駕駛汽車(chē)等應(yīng)用。

動(dòng)物的思維速度通常被限制在幾毫秒內(nèi)——受到神經(jīng)信號(hào)在其中混洗的微弱電壓和含水介質(zhì)的限制。然而，人造的固態(tài)神經(jīng)元和突觸并沒(méi)有受到這些限制的限制。

訓(xùn)練深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所需的時(shí)間、精力和金錢(qián)正在飆升。研究人員正在尋求幫助克服這一挑戰(zhàn)的一種方法是在模擬大腦的硬件而不是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上訓(xùn)練模擬大腦的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，這種策略稱(chēng)為模擬深度學(xué)習(xí)。

正如晶體管是數(shù)字計(jì)算機(jī)的核心元件一樣，類(lèi)似神經(jīng)元和突觸的組件也是模擬深度學(xué)習(xí)的關(guān)鍵組成部分。在這項(xiàng)新研究中，研究人員對(duì)稱(chēng)為可編程電阻器的人工突觸進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

新的可編程電阻器類(lèi)似于憶阻器或存儲(chǔ)電阻器。這兩種設(shè)備本質(zhì)上都是電子開(kāi)關(guān)，可以記住關(guān)閉電源后切換到的狀態(tài)。因此，它們類(lèi)似于突觸，其導(dǎo)電性取決于過(guò)去通過(guò)它們的電荷量而增強(qiáng)或減弱。該研究的主要作者、麻省理工學(xué)院電氣工程師Murat Onen說(shuō)，憶阻器是兩端器件，而新的可編程電阻器是三端器件。

研究小組的可編程電阻器通過(guò)移動(dòng)質(zhì)子來(lái)增加或減少它們的電導(dǎo)率。為了增加電導(dǎo)，電場(chǎng)有助于將質(zhì)子插入設(shè)備中。為了降低電導(dǎo)，質(zhì)子被取出。

這些質(zhì)子可編程電阻器使用類(lèi)似于電池中的電解質(zhì)來(lái)讓質(zhì)子通過(guò)，同時(shí)阻擋電子。他們的電解質(zhì)是磷硅酸鹽玻璃，研究人員懷疑這種玻璃在室溫下具有高質(zhì)子傳導(dǎo)性。這種玻璃容納了許多用于質(zhì)子傳輸?shù)募{米級(jí)孔隙，并且還可以承受非常強(qiáng)的脈沖電場(chǎng)以幫助質(zhì)子快速移動(dòng)。

與早期版本的設(shè)備中使用的有機(jī)Nafion電解質(zhì)不同，磷硅酸鹽與硅制造技術(shù)兼容。這有助于將設(shè)備“一直縮小到 10 納米規(guī)?！保琌nen 說(shuō)。相比之下，生物神經(jīng)元大約長(zhǎng) 1000 倍。

生物神經(jīng)元和突觸處理和傳輸數(shù)據(jù)的速度受到弱電壓和這些信號(hào)在其中混洗的水介質(zhì)的限制。任何超過(guò) 1.23 伏的電壓都會(huì)導(dǎo)致液態(tài)水分解成氫氣和氧氣。因此，動(dòng)物的思維速度通常限于毫秒時(shí)間尺度。相比之下，人造固態(tài)神經(jīng)元和突觸不受這些限制的限制。然而，尚不清楚它們與生物學(xué)對(duì)應(yīng)物相比有多快。

在實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)他們的質(zhì)子可編程電阻器在室溫下的執(zhí)行速度至少比生物突觸快 10，000 倍。“最令人驚訝的部分是看看我們?cè)诠腆w介質(zhì)中移動(dòng)質(zhì)子的速度有多快，”O(jiān)nen說(shuō)。“以前的操作時(shí)間尺度大約是毫秒，而在這項(xiàng)工作中，我們達(dá)到了納秒?！?/p>

此外，這些設(shè)備可以運(yùn)行數(shù)百萬(wàn)次循環(huán)而不會(huì)發(fā)生故障。此外，它們?cè)谟?jì)算過(guò)程中產(chǎn)生的熱量與人類(lèi)突觸相當(dāng)——磷硅玻璃的絕緣特性意味著當(dāng)質(zhì)子移動(dòng)時(shí)幾乎沒(méi)有電流通過(guò)該材料，從而使這些小工具非常節(jié)能。

“主要的技術(shù)含義是我們現(xiàn)在可以擁有用于模擬深度學(xué)習(xí)應(yīng)用的質(zhì)子可編程設(shè)備，”O(jiān)nen 說(shuō)?！芭c競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)相比，此類(lèi)設(shè)備的前身已經(jīng)具有許多有前途的品質(zhì)，但速度非常慢，這意味著它們不適合在處理器中使用?！?/p>

此外，Onen 說(shuō)，“無(wú)論何時(shí)需要快速離子運(yùn)動(dòng)，例如微型電池、燃料電池、人工光合作用和電致變色，固體中超快離子傳輸?shù)陌l(fā)現(xiàn)可能具有比模擬深度學(xué)習(xí)更廣泛的意義?！?/p>