科技日?qǐng)?bào)記者 張夢(mèng)然

新加坡國(guó)立大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一種創(chuàng)新的超高效計(jì)算單元，能夠模擬電子神經(jīng)元和突觸行為，為神經(jīng)形態(tài)計(jì)算領(lǐng)域帶來(lái)了革命性的變化。這項(xiàng)成果已在最新一期的《自然》雜志上發(fā)表，引起了半導(dǎo)體行業(yè)領(lǐng)先公司的廣泛關(guān)注。

在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，電子神經(jīng)元和突觸是兩個(gè)基本構(gòu)成要素。與傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)不同，這些系統(tǒng)能夠在同一位置處理和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，避免了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)在內(nèi)存和處理器之間傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)間和能量消耗。然而，使用常規(guī)硅晶體管實(shí)現(xiàn)電子神經(jīng)元和突觸需要連接多個(gè)設(shè)備，每個(gè)神經(jīng)元至少需要18個(gè)晶體管，而每個(gè)突觸則需要至少6個(gè)晶體管，這導(dǎo)致它們比單個(gè)晶體管大得多，成本也更高。

團(tuán)隊(duì)找到了一種巧妙的方法，可以在單一的傳統(tǒng)硅晶體管中復(fù)制神經(jīng)元和突觸的電行為特征。通過(guò)將體端子的電阻調(diào)整到特定值，產(chǎn)生一種名為“沖擊電離”的物理現(xiàn)象，這種現(xiàn)象產(chǎn)生的電流峰值與電子神經(jīng)元激活時(shí)的情況相似。此外，通過(guò)設(shè)定不同的體端子電阻值，晶體管能夠在柵極氧化層中存儲(chǔ)電荷，其電阻會(huì)隨時(shí)間保持，從而模仿電子突觸的行為。這意味著只需選擇合適的體端子電阻，晶體管就可以作為電子神經(jīng)元或突觸運(yùn)行。“沖擊電離”這一現(xiàn)象通常被視為硅晶體管的一種故障機(jī)制，但研究團(tuán)隊(duì)成功地控制并將其轉(zhuǎn)化為具有工業(yè)應(yīng)用價(jià)值的技術(shù)。

這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)的重要性在于，它能使電子神經(jīng)元的體積縮小至原來(lái)的1/18，突觸縮小至1/6，對(duì)于包含數(shù)百萬(wàn)個(gè)電子神經(jīng)元和突觸的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，這代表了一個(gè)巨大的進(jìn)步，意味著能以更低的能量消耗處理更多的信息。

此外，該團(tuán)隊(duì)還設(shè)計(jì)了一種由兩個(gè)晶體管組成的單元——神經(jīng)突觸隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，支持在神經(jīng)元和突觸操作模式之間的切換，提供了制造過(guò)程中的高度靈活性，因?yàn)檫@兩種功能都可以通過(guò)一個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)，無(wú)需對(duì)硅進(jìn)行摻雜以達(dá)到特定的基板電阻值。

值得注意的是，團(tuán)隊(duì)使用的晶體管基于傳統(tǒng)的180納米節(jié)點(diǎn)技術(shù)，不需要最新的高端制造工藝。這一突破不僅展示了技術(shù)上的創(chuàng)新，也為未來(lái)的計(jì)算技術(shù)開(kāi)辟了新的道路。

總編輯圈點(diǎn)

技術(shù)創(chuàng)新推動(dòng)工程進(jìn)步，工程創(chuàng)新同樣也為技術(shù)進(jìn)一步革新開(kāi)辟道路。這次，科研人員巧妙改造了傳統(tǒng)硅晶體管，讓一個(gè)元件可以兼具電子神經(jīng)元和突觸的雙重功能。而且，他們利用的這種物理現(xiàn)象，通常被視為硅晶體管的一種故障機(jī)制。換個(gè)思路天地開(kāi)，將“故障”控制好，也能把它轉(zhuǎn)化為具有工業(yè)應(yīng)用價(jià)值的新技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)能以更少的晶體管實(shí)現(xiàn)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能，突破了神經(jīng)形態(tài)計(jì)算落地的瓶頸，而且用現(xiàn)有工藝即可實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用前景廣闊。