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新型人工突觸可用于高度擴展類腦計算推動類腦硬件商業(yè)化

發(fā)布日期： 2021-12-30 11:32:38 來源：科技日報

據(jù)最新一期美國化學會期刊《應用材料與界面》報道，新加坡科技與設計大學(SUTD)研究團隊開發(fā)出一種基于二維(2D)材料的新型人工突觸，能用于可高度擴展的類腦計算。

模仿人腦功能的類腦計算因其在人工智能中的功能應用和低能耗而引起科學界的廣泛關注。像人腦一樣，為了讓類腦計算發(fā)揮作用，記住兩個神經(jīng)元之間連接的突觸必不可少。

在發(fā)育的大腦中，突觸可以分為功能性突觸和沉默突觸。功能性突觸是活躍的，而沉默突觸在正常條件下是不活躍的。而且，當沉默突觸被激活時，它們可幫助優(yōu)化神經(jīng)元之間的連接。由于人腦包含大約一百萬億個突觸，而建立在數(shù)字電路上的人工突觸通常占據(jù)較大的空間，因此在硬件效率和成本方面存在限制，要將其應用于智能便攜式設備和物聯(lián)網(wǎng)，需要提高硬件成本。

為了解決這個問題，SUTD研究團隊使用2D材料模擬了功能性和沉默突觸的行為。此外，他們還首次證明，這種人工突觸可以同時作為功能性和沉默突觸的相同設備。

研究人員指出，這項工作可用單個設備替換基于復雜數(shù)字電路的功能性和沉默突觸，從而顯著降低硬件成本。“通過使用超薄的2D材料將功能性和沉默突觸集成到同一設備中，人造突觸的硬件成本將顯著降低，這將推動類腦硬件的商業(yè)化”。

從神經(jīng)生物學的角度來看，當突觸前神經(jīng)元接受持續(xù)刺激時，沉默突觸不會產生興奮行為，因為它們含有N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受體，但它們缺乏α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異惡唑丙酸 (AMPA)受體。然而，沉默突觸可被激活成為功能性突觸，在連續(xù)刺激后插入AMPA受體時對刺激作出反應。

受到插入AMPA受體激活沉默突觸的生物學機制的啟發(fā)，通過在2D硒化銦材料系統(tǒng)中引入硫陰離子，可實現(xiàn)從沉默突觸到功能性突觸的轉變。硒化銦中的硫陰離子可在電場下遷移，并表現(xiàn)出功能性突觸可塑性。該設備基于完全硫化類型的系統(tǒng)，在室溫下表現(xiàn)出明顯的憶阻行為，可用于實現(xiàn)功能性突觸。沉默突觸的激活可使用部分硫化類型的系統(tǒng)，通過改變溫度來實現(xiàn)。

總編輯圈點：

人們對人工智能和計算機最大的期待是什么?答案：像人一樣計算思考。正因此，“受腦啟發(fā)”被認為是這一領域發(fā)展中最重要的方向。類腦計算可以像人的大腦一樣同時處理和存儲信息，人工突觸則可以模擬人類大腦中突觸的短期和長期可塑性，建立在記憶的基礎上，隨著時間的推移而學習。盡管該研究還遠遠未走向實用，但類腦計算這場令人興奮而又望而生畏的艱難挑戰(zhàn)，已向前邁出了重要一步。(科技日報記者張夢然)