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驗室，布局人工智能，想在深度神經網(wǎng)絡計算等領域中有所突破。對于人工智能來說，算法固然重要，但能以更低功耗，更快速度來運行算法的芯片，是該領域不可缺少的環(huán)節(jié)，也成為了各大科技公司突破的關鍵。
于是，研究人員從人類本身出發(fā)，希望能設計出一款可以模擬人類大腦運行，能像大腦一樣快速反應、處理信息的芯片。
IBM5月公布的最新相變存儲芯片
當?shù)貢r間8月3日，IBM官方宣布，科學家使用相變材料，制造出了能存儲和處理數(shù)據(jù)的隨機脈沖神經元。科研人員表示，這種神經元集群與人造突觸等納米計算元件聯(lián)合，或是制造可用于認知計算領域的下一代超密集神經形態(tài)計算系統(tǒng)的關鍵。
相變，是指物質從一種相轉變?yōu)榱硪环N相的過程。物質系統(tǒng)中物理、化學性質完全相同，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)對應，物質 有固相、液相、氣相。相變材料，指的是隨溫度變化而改變物質狀態(tài)并能提供潛熱的物質。轉變物理性質的過程稱為相變過程，這時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·埃萊夫特里烏負責。他在接受采訪時稱：“十多年來，我們一直在研究相變存儲(PCM)材料。今年5月我們公布的最新相變存儲技術 表明，每個單元能穩(wěn)定存儲3比特數(shù)據(jù);現(xiàn)在我們再次證明，基于相變材料的人工神經元能執(zhí)行多種計算，如檢測數(shù)據(jù)關聯(lián)等，而且速度快、能耗低?！?/p>
根據(jù)IBM的研究報告，最新制造出的人工神經元由包括鍺銻碲化物在內的相變材料組成，這些相變材料會展示出非結晶態(tài)和結晶態(tài)兩種穩(wěn)定的狀態(tài)：一種非結晶態(tài);一種結晶態(tài)，是制造可擦寫藍光光盤的基礎。
藝術家創(chuàng)作：相變合金液鍺銻碲(GeSbTe)覆蓋的人造神經元。 來源：IBM 研究院，新智元
研究人員在人工神經元上施加了一系列電子脈沖，使相變材料不斷結晶，最終導致神經元“點火”。這一過程通俗來說，與人類接觸某些熱屬性的東西后，大腦給出的反應相似。
將 該屬性用于探測行為，發(fā)現(xiàn)可以觀測到數(shù)據(jù)的實時流通聯(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)用于天氣預報，而你想找出其中哪些是暫時 相關的。“只用一個神經元就可以做出這樣的區(qū)分，因為這個神經元與多個接收這些事件的突觸相連。我們在研究中多次展示了如何從多個事件流當中檢測關聯(lián) 性?！盜BM研究員 Manuel Le Gallo在接受采訪時說。
參與這項研究的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)材料制成的神經元不同，相變神經元的尺寸能小到納米量級別。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，它的信號傳輸速度很快，功耗很低。IBM稱，這些人工神經元能耐受數(shù)十億次的開關操作，相當于以100赫茲的更新頻率工作多年。神經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，相變神經元是隨機的，這意味著它能像生物神經元一樣不可預測。在生物的細胞里，震動表明特定的輸入，但不一定會得到同樣的輸出。 IBM的相變神經元正是利用了隨機性，讓神經元完成了不可思議的工作，比如從復雜的數(shù)學題目中得出局部最小準則(local minimum criterion，LMC)，這是依靠算法的數(shù)字計算機無法做到的。
正是因為上述特性，相變存儲器被認為是最有可能取代目前的 SRAM、DRAM、FLASH等產品成為未來主流的存儲器產品。《經濟學人》評論認為，這是在人造大腦方面的又一突破。
目前，IBM的相變神經元擁有10乘10的神經元陣列，將5個小陣列組合成一個500神經元的大陣列，該陣列可以用類似人類大腦的工作方式進行信號處理。
未來，IBM研究人員計劃構建包含幾千個相變神經元的單一芯片，并編寫能充分利用相變神經元芯片隨機特性的軟件。
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