AlphaGo打敗韓國棋手李世石后，人工智能概念引爆全球。谷歌、Facebook等科技巨頭還專門成立了人工智能實(shí)驗(yàn)室，布局人工智能，想在深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算等領(lǐng)域中有所突破。對(duì)于人工智能來說，算法固然重要，但能以更低功耗，更快速度來運(yùn)行算法的芯片，是該領(lǐng)域不可缺少的環(huán)節(jié)，也成為了各大科技公司突破的關(guān)鍵。
于是，研究人員從人類本身出發(fā)，希望能設(shè)計(jì)出一款可以模擬人類大腦運(yùn)行，能像大腦一樣快速反應(yīng)、處理信息的芯片。
IBM5月公布的最新相變存儲(chǔ)芯片
當(dāng)?shù)貢r(shí)間8月3日，IBM官方宣布，科學(xué)家使用相變材料，制造出了能存儲(chǔ)和處理數(shù)據(jù)的隨機(jī)脈沖神經(jīng)元?？蒲腥藛T表示，這種神經(jīng)元集群與人造突觸等納米計(jì)算元件聯(lián)合，或是制造可用于認(rèn)知計(jì)算領(lǐng)域的下一代超密集神經(jīng)形態(tài)計(jì)算系統(tǒng)的關(guān)鍵。
相變，是指物質(zhì)從一種相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N相的過程。物質(zhì)系統(tǒng)中物理、化學(xué)性質(zhì)完全相同，與其他部分具有明顯分界面的均勻部分稱為相。與固、液、氣三態(tài)對(duì)應(yīng)，物質(zhì) 有固相、液相、氣相。相變材料，指的是隨溫度變化而改變物質(zhì)狀態(tài)并能提供潛熱的物質(zhì)。轉(zhuǎn)變物理性質(zhì)的過程稱為相變過程，這時(shí)相變材料將吸收或釋放大量的潛熱。
該研究由IBM 蘇黎世研究院埃萬杰洛斯·埃萊夫特里烏負(fù)責(zé)。他在接受采訪時(shí)稱：“十多年來，我們一直在研究相變存儲(chǔ)(PCM)材料。今年5月我們公布的最新相變存儲(chǔ)技術(shù) 表明，每個(gè)單元能穩(wěn)定存儲(chǔ)3比特?cái)?shù)據(jù);現(xiàn)在我們?cè)俅巫C明，基于相變材料的人工神經(jīng)元能執(zhí)行多種計(jì)算，如檢測(cè)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)等，而且速度快、能耗低?！?/p>
根據(jù)IBM的研究報(bào)告，最新制造出的人工神經(jīng)元由包括鍺銻碲化物在內(nèi)的相變材料組成，這些相變材料會(huì)展示出非結(jié)晶態(tài)和結(jié)晶態(tài)兩種穩(wěn)定的狀態(tài)：一種非結(jié)晶態(tài);一種結(jié)晶態(tài)，是制造可擦寫藍(lán)光光盤的基礎(chǔ)。
藝術(shù)家創(chuàng)作：相變合金液鍺銻碲(GeSbTe)覆蓋的人造神經(jīng)元。 來源：IBM 研究院，新智元
研究人員在人工神經(jīng)元上施加了一系列電子脈沖，使相變材料不斷結(jié)晶，最終導(dǎo)致神經(jīng)元“點(diǎn)火”。這一過程通俗來說，與人類接觸某些熱屬性的東西后，大腦給出的反應(yīng)相似。
將 該屬性用于探測(cè)行為，發(fā)現(xiàn)可以觀測(cè)到數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)流通聯(lián)系。舉例來說，在物聯(lián)網(wǎng)中，傳感器能收集并分析海量天氣數(shù)據(jù)用于天氣預(yù)報(bào)，而你想找出其中哪些是暫時(shí) 相關(guān)的?！爸挥靡粋€(gè)神經(jīng)元就可以做出這樣的區(qū)分，因?yàn)檫@個(gè)神經(jīng)元與多個(gè)接收這些事件的突觸相連。我們?cè)谘芯恐卸啻握故玖巳绾螐亩鄠€(gè)事件流當(dāng)中檢測(cè)關(guān)聯(lián) 性?！盜BM研究員 Manuel Le Gallo在接受采訪時(shí)說。
參與這項(xiàng)研究的IBM蘇黎世研究員(從左到右)：Abu Sebastian，Evangelos Eleftheriou，Tomas Tuma，Angeliki Pantai 和 Manuel Le Gallo
與傳統(tǒng)材料制成的神經(jīng)元不同，相變神經(jīng)元的尺寸能小到納米量級(jí)別。研究論文指出，未來這一材料可以小到14納米。
IBM蘇黎世
其次，它的信號(hào)傳輸速度很快，功耗很低。IBM稱，這些人工神經(jīng)元能耐受數(shù)十億次的開關(guān)操作，相當(dāng)于以100赫茲的更新頻率工作多年。神經(jīng)元每次更新所需的能量不到5皮焦(10-12焦)，平均電壓不足120微瓦(百萬分之一瓦)。
最 后也是最重要的一點(diǎn)，相變神經(jīng)元是隨機(jī)的，這意味著它能像生物神經(jīng)元一樣不可預(yù)測(cè)。在生物的細(xì)胞里，震動(dòng)表明特定的輸入，但不一定會(huì)得到同樣的輸出。 IBM的相變神經(jīng)元正是利用了隨機(jī)性，讓神經(jīng)元完成了不可思議的工作，比如從復(fù)雜的數(shù)學(xué)題目中得出局部最小準(zhǔn)則(local minimum criterion，LMC)，這是依靠算法的數(shù)字計(jì)算機(jī)無法做到的。
正是因?yàn)樯鲜鎏匦?，相變存?chǔ)器被認(rèn)為是最有可能取代目前的 SRAM、DRAM、FLASH等產(chǎn)品成為未來主流的存儲(chǔ)器產(chǎn)品?！督?jīng)濟(jì)學(xué)人》評(píng)論認(rèn)為，這是在人造大腦方面的又一突破。
目前，IBM的相變神經(jīng)元擁有10乘10的神經(jīng)元陣列，將5個(gè)小陣列組合成一個(gè)500神經(jīng)元的大陣列，該陣列可以用類似人類大腦的工作方式進(jìn)行信號(hào)處理。
未來，IBM研究人員計(jì)劃構(gòu)建包含幾千個(gè)相變神經(jīng)元的單一芯片，并編寫能充分利用相變神經(jīng)元芯片隨機(jī)特性的軟件。
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