科技日報記者 張夢然

新加坡國立大學(xué)研究團(tuán)隊開發(fā)出一種創(chuàng)新的超高效計算單元，能夠模擬電子神經(jīng)元和突觸行為，為神經(jīng)形態(tài)計算領(lǐng)域帶來了革命性的變化。這項成果已在最新一期的《自然》雜志上發(fā)表，引起了半導(dǎo)體行業(yè)領(lǐng)先公司的廣泛關(guān)注。

在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，電子神經(jīng)元和突觸是兩個基本構(gòu)成要素。與傳統(tǒng)的計算機(jī)不同，這些系統(tǒng)能夠在同一位置處理和存儲數(shù)據(jù)，避免了傳統(tǒng)計算機(jī)在內(nèi)存和處理器之間傳輸數(shù)據(jù)的時間和能量消耗。然而，使用常規(guī)硅晶體管實現(xiàn)電子神經(jīng)元和突觸需要連接多個設(shè)備，每個神經(jīng)元至少需要18個晶體管，而每個突觸則需要至少6個晶體管，這導(dǎo)致它們比單個晶體管大得多，成本也更高。

團(tuán)隊找到了一種巧妙的方法，可以在單一的傳統(tǒng)硅晶體管中復(fù)制神經(jīng)元和突觸的電行為特征。通過將體端子的電阻調(diào)整到特定值，產(chǎn)生一種名為“沖擊電離”的物理現(xiàn)象，這種現(xiàn)象產(chǎn)生的電流峰值與電子神經(jīng)元激活時的情況相似。此外，通過設(shè)定不同的體端子電阻值，晶體管能夠在柵極氧化層中存儲電荷，其電阻會隨時間保持，從而模仿電子突觸的行為。這意味著只需選擇合適的體端子電阻，晶體管就可以作為電子神經(jīng)元或突觸運行。“沖擊電離”這一現(xiàn)象通常被視為硅晶體管的一種故障機(jī)制，但研究團(tuán)隊成功地控制并將其轉(zhuǎn)化為具有工業(yè)應(yīng)用價值的技術(shù)。

這項發(fā)現(xiàn)的重要性在于，它能使電子神經(jīng)元的體積縮小至原來的1/18，突觸縮小至1/6，對于包含數(shù)百萬個電子神經(jīng)元和突觸的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來說，這代表了一個巨大的進(jìn)步，意味著能以更低的能量消耗處理更多的信息。

此外，該團(tuán)隊還設(shè)計了一種由兩個晶體管組成的單元——神經(jīng)突觸隨機(jī)存取存儲器，支持在神經(jīng)元和突觸操作模式之間的切換，提供了制造過程中的高度靈活性，因為這兩種功能都可以通過一個模塊實現(xiàn)，無需對硅進(jìn)行摻雜以達(dá)到特定的基板電阻值。

值得注意的是，團(tuán)隊使用的晶體管基于傳統(tǒng)的180納米節(jié)點技術(shù)，不需要最新的高端制造工藝。這一突破不僅展示了技術(shù)上的創(chuàng)新，也為未來的計算技術(shù)開辟了新的道路。

總編輯圈點

技術(shù)創(chuàng)新推動工程進(jìn)步，工程創(chuàng)新同樣也為技術(shù)進(jìn)一步革新開辟道路。這次，科研人員巧妙改造了傳統(tǒng)硅晶體管，讓一個元件可以兼具電子神經(jīng)元和突觸的雙重功能。而且，他們利用的這種物理現(xiàn)象，通常被視為硅晶體管的一種故障機(jī)制。換個思路天地開，將“故障”控制好，也能把它轉(zhuǎn)化為具有工業(yè)應(yīng)用價值的新技術(shù)。這項技術(shù)能以更少的晶體管實現(xiàn)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能，突破了神經(jīng)形態(tài)計算落地的瓶頸，而且用現(xiàn)有工藝即可實現(xiàn)，應(yīng)用前景廣闊。