新的“人造突触”为脑电脑铺路

研究人员说,大脑启发的计算组件提供了人类大脑神经元之间最忠实的仿真,但是它们之间的联系也是如此。

研究表示,所谓的忆阻器是一种电阻元件,其阻力依赖于过去多少电荷通过它,模拟了钙离子在人类大脑两个神经元的连接处的行为方式。那个连接被称为突触。研究人员表示,新设备可能会导致大脑启发式或神经元型计算机的显着进步,在感知和学习任务上可能比传统计算机好得多,而且能源效率更高。

“过去,人们已经使用晶体管和电容器等设备来模拟突触动力学,这种动力学可以起作用,但是这些设备与真实的生物系统几乎没有什么相似之处,所以这样做效率并不高,设备面积较大,能源消耗较少,保真度较低,“研究负责人马绍尔·阿默斯特大学电气与计算机工程系教授杨建华说。[ 你不了解大脑的10件事 ]

以前的研究表明,人类大脑有大约1000亿个神经元,大约1万亿(100万亿)个突触。科学家们说,大脑启发的计算机理想地被设计为模仿大脑的巨大的计算能力和效率。

他说:“通过我们的设备提供的突触动态,我们可以以更自然的方式,更直接的方式和更忠实地效仿突触,”他告诉Live Science。“你不只是模拟一种类型的突触功能,而且还有其他重要功能,并且实际上可以将多个突触功能组合在一起。”

模仿人的大脑
在生物系统中,当神经冲动达到突触时,它会导致通道开放,允许钙离子流入突触。这引发了被称为神经递质的脑化学物质的释放,这些神经递质跨过两个神经细胞之间的间隙,传递给下一个神经元的冲动。

研究中描述的新的“扩散忆阻器”由嵌入在两个电极之间的氮氧化硅膜中的银纳米颗粒簇组成。

该膜是绝缘体,但是当施加电压脉冲时,加热和电力的组合导致簇分解。纳米颗粒通过膜扩散并最终形成将电流从一个电极传送到另一个电极的导电细丝。一旦去除电压,温度下降,纳米颗粒聚结成簇。

研究人员说,由于这个过程非常类似于钙离子在生物突触中的表现,器件可以模拟神经元的短期可塑性。在高频下的低电压脉冲将逐渐增加器件的电导率,直到电流通过,但如果脉冲持续,则该电导率将最终下降。[ 超智能机器:7机器人期货 ]

研究人员还将其扩散忆阻器与所谓的漂移忆阻器相结合,该忆阻器依靠电场而不是扩散,并针对存储器应用进行了优化。这使得科学家们能够证明一种长期可塑性的形式,称为刺激时间依赖性可塑性(STDP),其可以根据脉冲的时间调整神经元之间的连接强度。

以前的研究已经使用漂移忆阻器来近似钙动力学。但这些忆阻器是基于与生物突触非常不同的物理过程,这限制了它们的保真度和可能的突触功能的多样性。

“扩散忆阻器正在帮助漂移式忆阻器与真正的突触相似,”杨说。“结合这两个,我们可以自然地展示STDP,这是非常重要的长期可塑性学习规则。”

准确地再现突触可塑性对于创建可像大脑一样操作的计算机至关重要。杨表示,这是可取的,因为大脑比传统电子学更加紧凑和节能,同时更好地在模式识别和学习等方面。他补充道:“人脑仍然是有史以来建立最有效率的电脑。”

如何建立
杨说,他的团队使用与计算机内存公司开发的制造工艺相似,以扩大忆阻器生产。不是所有这些过程都可以使用银作为材料,而是研究小组的未发表研究显示,可以使用铜纳米粒子。

假设这个设备可能比人类突触更小,因为设备的关键部分只有4纳米,杨说。(为了比较,人类头发的平均线宽约为10万纳米)。Yang补充说,这可能使传感器的电子设备比传统的电子设备更有效率。传统电子学需要大约10个晶体管来模拟一个突触。

德国Jülich研究中心的Peter Grunberg研究所的资深科学家伊利亚·瓦罗夫(Neiaromorphic Computing Experts)表示,研究是迄今为止人类突触的最全面的示范。

他说这种方法是可以扩展的,单一的单位系统一定能够达到生物突触的规模。但他补充说,在多单元系统中,由于实现更大的系统工作所需的实际考虑,这些设备可能需要更大。

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