受人腦的啟發(fā)，研究人員開(kāi)發(fā)出了一種新的突觸晶體管，它可以像人腦一樣同時(shí)處理和存儲(chǔ)信息，進(jìn)行更高層次的思考。

傳統(tǒng)計(jì)算 vs 腦

幾十年來(lái)，電子學(xué)的范式一直是使用晶體管來(lái)制造一切。科學(xué)家僅通過(guò)將越來(lái)越多的晶體管封裝在集成電路方面，就已經(jīng)取得了重大進(jìn)展。但這種成功是以高功耗為代價(jià)的。在當(dāng)前的大數(shù)據(jù)時(shí)代，電網(wǎng)正在承受數(shù)字計(jì)算帶來(lái)的壓力。人工智能（AI）和機(jī)器學(xué)習(xí)的最新進(jìn)展，使得科學(xué)家愈發(fā)迫切地想要開(kāi)發(fā)出運(yùn)行方式更像人腦的計(jì)算設(shè)備。

人腦與數(shù)字計(jì)算機(jī)有著根本性的不同。在傳統(tǒng)的數(shù)字計(jì)算機(jī)中，數(shù)據(jù)的處理單元和存儲(chǔ)單元是各自獨(dú)立的，數(shù)據(jù)在微處理器和存儲(chǔ)器之間來(lái)回移動(dòng)時(shí)，會(huì)消耗大量能量。當(dāng)計(jì)算機(jī)要同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)時(shí)，這種高功耗問(wèn)題會(huì)尤為嚴(yán)重。而在腦中，記憶和信息處理是共同定位和充分一體化的，因而具有更高數(shù)量級(jí)的能源效率。

在過(guò)去的許多研究中，一些團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出了與人腦類(lèi)似的計(jì)算設(shè)備，但那些晶體管都無(wú)法在非低溫環(huán)境下工作。

莫爾突觸晶體管

在新研究中，研究人員決定利用莫爾圖樣（moiré pattern）來(lái)開(kāi)發(fā)所謂的突觸晶體管。

莫爾圖樣是一種當(dāng)兩個(gè)圖樣相互疊加時(shí)就會(huì)出現(xiàn)的幾何圖樣。當(dāng)二維材料堆疊時(shí)，新的特性就會(huì)出現(xiàn)，而這些特性并不存在于單層結(jié)構(gòu)中。當(dāng)這些層級(jí)結(jié)構(gòu)被扭轉(zhuǎn)形成莫爾圖樣時(shí)，就有可能收獲前所未有的電子特性。

在這種新的突觸晶體管中，研究人員結(jié)合了兩種不同類(lèi)型的原子級(jí)薄材料：雙層石墨烯和六方氮化硼。石墨烯和六方氮化硼在結(jié)構(gòu)上非常相似，但它們之間的不同之處也足以產(chǎn)生異常強(qiáng)烈的莫爾效應(yīng)。

當(dāng)研究人員將它們堆疊在一起，并將一層材料相對(duì)于另一層扭轉(zhuǎn)時(shí)，這些材料就形成了莫爾圖樣。通過(guò)這種扭轉(zhuǎn)，研究人員可以在每層材料中獲得不同的電子特性，即使層與層之間只相隔原子級(jí)尺度的距離。

當(dāng)扭轉(zhuǎn)成為一個(gè)新的設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，科學(xué)家可以獲得數(shù)量巨大的排列方式。研究人員發(fā)現(xiàn)，通過(guò)選擇正確的扭轉(zhuǎn)方式，新發(fā)展的突觸晶體管就可以在室溫下仍保持穩(wěn)定，且它的運(yùn)行速度很快，消耗的能量很少，即使在斷電時(shí)也能保留存儲(chǔ)的信息。

更高級(jí)的思維

如果人工智能的存在注定是為了模仿人類(lèi)的思維，那么它們需要完成的最底層的任務(wù)之一就是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)。研究人員的目標(biāo)是推動(dòng)人工智能技術(shù)向更高層次思維的方向發(fā)展。

現(xiàn)實(shí)世界的情況，往往比目前的人工智能算法所能處理的更為復(fù)雜。為了測(cè)試新的晶體管，研究團(tuán)隊(duì)訓(xùn)練它來(lái)識(shí)別相似但不完全相同的模式，在這種更為復(fù)雜的情況下測(cè)試其功能的先進(jìn)性。

首先，他們向設(shè)備展示了一個(gè)模式“000”。然后，他們讓人工智能識(shí)別如“111”或“101”等類(lèi)似的模式。如果訓(xùn)練內(nèi)容是讓它檢測(cè)000，然后當(dāng)它探測(cè)到111和101時(shí)，它能識(shí)別出111比101更像000。雖然000和111并不完全相同，但都是連續(xù)的三位數(shù)。而認(rèn)識(shí)到這種相似性，就是一種更高層次的認(rèn)知形式，被稱(chēng)為聯(lián)想學(xué)習(xí)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，新的突觸晶體管成功地識(shí)別出了類(lèi)似的模式，顯示出了聯(lián)想記憶。這表明這種晶體管已經(jīng)超越了簡(jiǎn)單的機(jī)器學(xué)習(xí)任務(wù)，而是可以在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)的同時(shí)，并且進(jìn)行聯(lián)想學(xué)習(xí)。這意味著它類(lèi)似人腦一樣，實(shí)現(xiàn)了并發(fā)記憶和信息處理功能，更貼切地模仿了人腦。

目前的人工智能很容易混亂，這在某些情況下可能會(huì)造成重大問(wèn)題。但這種新型的突觸晶體管使機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能又向前邁進(jìn)了一步。它表明，即使我們給晶體管的輸入是不完美的，它仍然可以做出正確的識(shí)別和響應(yīng)。







審核編輯：劉清