Only Perception: 突觸電晶體邊運算邊學習

2013-11-04

突觸電晶體邊運算邊學習

Brain-inspired synaptic transistor learns while it computes
http://phys.org/news/2013-11-brain-inspired-synaptic-transistor.html

Nov 01, 2013

(Phys.org) -- 用不著 Watson（IBM 的超級電腦）也能明白，即使是世上最好的超級電腦也都是一部非常沒效率且能源密集的機器。

我們的頭腦具有超過 860 億個神經元，由突觸所連結，那不僅構成各式各樣的邏輯迴路；它們還不斷地適應刺激，強化某些連接同時削弱其他連結。我們稱此過程為「學習」，而且它使得那種快速且高效率的計算過程成為可能，使（蘋果的）Siri 與（IBM 的）Blue Gene 也相形自慚。

Harvard 工程與應用科學學院（SEAS）的科學家現在創造出一種新型電晶體，那模仿突觸的行為。這種新奇裝置會同時調整（modulates）一線路內的資訊流動並且實際適應變化中的訊號。

利用現代材料中的不尋常特性，這種突觸電晶體（synaptic transistor）能標誌新型人工智慧的起始：並非內嵌在聰明的演算法中，而是在各種架構的電腦中。這些發現發表在 Nature Communications 期刊中。

"最近打造一個具能源效益電子裝置上受到極大關注，" 首席研究者 Shriram Ramanathan 表示， Harvard SEAS 材料科學教授。"從歷史上來看，人們都聚焦在速度上，不過速度卻是以功率消耗作為代價。隨著電子裝置變得愈來愈強大與普及，在減少它們所消耗的總能量上，你可能面臨了一種巨大的挑戰。"

就人類心智而言，其所擁有非凡的運算力，只需要 20 瓦特的能量（不到一顆家用燈泡）就能運作，所以它成了工程師的自然模型。

"我們所展示的電晶體真的是我們腦中突觸的一種類比物，" 共同領導作者 Jian Shi 表示，SEAS 的博士後研究。 "每當一個神經元起始一動作時，另一個神經元會起反應，它們之間的突觸會增加其連接的強度。而且每當神經元的動作電位（spike）愈快，突觸的連接就會愈強。實質上，它記得神經元之間的動作。"

原則上，一個整合了數百萬個微小突觸電晶體與神經元終端的系統，能將平行運算帶往超級無敵高效能的新紀元。

鈣離子與受器影響了生物突觸中的某種變化，而人造版本則以氧離子達到相同的可塑性。當施加一電壓，這些離子從一個非常薄的（80 nm）的鎳酸釤（samarium nickelate，釤，發音：善）薄膜的晶格中滑入（slip in）、滑出，成為鉑「軸突」與鉑「樹突」終端之間的突觸通道。鎳酸鹽中的離子濃度變化會使其電導率（conductance，電導度）上升或下降 -- 此即，其在電流上攜帶資訊的能力 -- 而且，正如同在自然的突觸中那樣，連接強度端視電氣訊號中的「時間延遲」而定。

從結構上來說，此裝置由鎳酸鹽（nickelate，SmNiO3）半導體夾雜在二個鉑電極之間所組成，而且與一小袋離子液體毗鄰。一個外部的電路多工器（circuit multiplexer）將「時間延遲」轉換成電壓大小，而電壓施加到離子液體上，創造出一種電場，那不是將離子趕往鎳酸鹽就是將之移除。整個裝置只有幾百 microns 長，被嵌在一塊矽晶片上。

這種突觸電晶體與傳統矽電晶體相較，有幾種立即優勢勝出。從一開始，它就沒有被限制在 0 與 1 的二進位系統中。

"當材料的組成出現變化時，此系統以一種類比方式改變其電導率 -- 連續地，" Shi 解釋。"若要用 CMOS、傳統電路技術來模仿突觸，則相當具有挑戰性，因為真正的生物學突觸擁有幾乎無限種可能的狀態 -- 不是只有「開」或「關」。"

突觸電晶體還有另一種優勢：非揮發記憶，那意味著即使電力中斷，裝置仍然記得其狀態。

此外，這種新電晶體天生就具能源效益。鎳酸鹽屬於一種不尋常的物質類別，稱為：關聯電子系統（correlated electron systems），那能經歷一種絕緣體--金屬的轉變。在某些溫度下 -- 或，如同此例，當暴露在一外部電場時 -- 這種材料的導電性會突然發生改變。

"我們利用這種材料的極端敏感度，" Ramanathan 表示。"一個非常小的刺激就能夠讓你獲得大訊號，所以讓裝置進行這種切換的輸入能量需求，非常的小。那能視為能源效益的大幅提昇。"

鎳酸鹽系統也被良好定位在無縫整合到現有的、基於矽的系統上。

"在這篇論文中，我們證明了高溫運作，不過這類型裝置的美妙之處是「學習」行為對於溫度有更多或更少的不敏感度，而那可是一大優勢，" Ramanathan 說。"從室溫到至少攝氏 160 度，我們都能操作它。"

目前，侷限在於合成一種相對未經探索的材料系統的挑戰，以及裝置的尺寸，那會影響其速度。

"在我們的概念驗證裝置中，時間常數實際上是由我們的實驗幾何學所定，" Ramanathan 說。"換言之，要真正製造出一個超快裝置，你所要做的就是：限制（confine）硬液體並使閘電極離它更近。"

事實上，Ramanathan 及其研究團隊已經在計畫要與 SEAS 的微流體專家合作，要研究這種「終極流體電晶體（ultimate fluidic transistor）」的可能性與限制。

他也從 NAS 拿到一筆種子獎助金（seed grant），要與 L. Mahadevan（Lola England de Valpine 應用數學教授、有機化學與演化生物學教授、物理學教授）探索將突觸電晶體整合到生物啟發（bioinspired）迴路中。

"在 SEAS 的設置中，那非常令人振奮；我們能輕易地與各種興趣大不相同的人們合作，" Ramanathan 說。

對材料科學家來說，探索關聯氧化物（correlated oxides，如同用於此研究的鎳酸鹽）能力，跟探索其可能的應用一樣有趣。

"你得要建立新儀器以便能夠合成這些新材料，可是一旦你能辦到這件事，你事實上又擁有一個全新的材料系統，而奇特性幾乎未被探索過，" Ramanathan 說。"有這樣一種材料能夠研究，真讓人感到興奮，在此對它們所知不多，而你有機會能從頭建立知識。"

"這種概念驗證示範將此研究帶往「應用」世界，" 他補充，"在這裡你真的能將這些特異電子特性轉變成引人注目的先進裝置。"

※ 相關報導：

＊ A correlated nickelate synaptic transistor
http://www.nature.com/ncomms/2013/131031/ncomms3676/full/ncomms3676.html