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知识 28 Sep, 2021

三星:复制粘贴人类大脑到3D芯片

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韩国三星电子是全世界最大的存储芯片制造商,日前,三星电子研发团队和美国哈佛大学共同发表了一篇研究论文,他们提出了一种新方法,准备在一个存储芯片上“反向工程”(复制)人类的大脑。

据报道,这个研究论文发表在科技期刊《自然·电子学》(Nature Electronics)上,论文标题是《基于拷贝和粘贴大脑的神经形态电子》。

这一论文的作者包括“三星高级技术研究院”研究员、美国哈佛大学教授Ham Don-hee,哈佛大学教授Park Hong-kun,三星SDS公司首席执行官Hwang Sung-woo,以及三星电子副董事长Kim Ki-nam。

拷贝大脑

在论文中,研究人员指出可以利用两位论文作者开发的纳米电极阵列,来拷贝人类大脑的神经网络连接图。随后可以把这个连接图拷贝到固态存储芯片构成的高密度3D网络中。

通过这种复制和粘贴技术,希望能够创造出一种存储芯片,可以模仿人类大脑的计算特性,比如低功耗、快速学习过程、环境适应性、自动化和认知特性。这种目标技术已经超越了现有人类的科研成果。

据报道,人类的大脑包括不计其数的神经元,神经元之间有着复杂的网络连接,这个网络实现了大脑的功能。因此,如果要对人类大脑进行反向工程研究,则首先必须搞清楚神经元网络连接图。

神经形态工程技术诞生于上世纪80年代,这一技术的宗旨是在一个半导体芯片上模仿人类大脑神经网络的结构和功能。不过这是一个极具挑战的技术,时至今日,科学家尚未搞清楚有多少数量的神经元相互连接,构成了人类大脑的复杂功能。

面对这样的复杂挑战,神经形态工程学的目标后来做了调整,不再是通过一个芯片来模仿人类大脑,而是通过大脑功能的启示,开发出相关的芯片。

重返最初目标

不过,三星电子和哈佛大学此次发表的论文,却提出了另外一种方法,他们认为它有一个更好的方法来开发类脑芯片:就是借用现有的大脑结构。

他们提出了一种方法,将大脑的神经元线路图 "复制和粘贴 "到3D神经形态芯片上。该方法将依靠一个纳米电极阵列,进入大量的神经元,记录神经元的连接位置和这些连接的强度。你可以复制这些数据并将其 "粘贴 "到固态存储器的三维网络中,无论是现成的闪存还是像电阻式RAM这样的尖端存储器。

每个存储单元将有一个反映地图中每个神经元连接强度的电导。三星公司说,其结果将是对科学家最初所希望的 "大脑逆向工程 "的一种有效回归。

此举可以作为人工智能系统的 "捷径",使其表现得像真正的大脑,包括灵活学习新概念和适应不断变化的条件。研究人员表示,你甚至可能看到具有真正认知能力的完全自主机器。

据悉,纳米电极可以进入到大量的大脑神经元中,可以利用其高度敏感性记录电流信号。这个庞大的细胞间并行记录系统可以获得神经网络地图的信息,发现神经元之间相互连接的方向,以及展示相互连接的强度。通过这些记录数据,科研人员可以提取出神经网络连接图。

上述网络连接图,随后可以粘贴到一个存储芯片构建的网络中。存储芯片可以是市面上固态硬盘使用的闪存,或是RRAM等更新的存储芯片。研究人员可以对存储芯片进行编程,让每一个芯片之间的传导性体现出大脑神经元连接的强度。

快速复制

这篇论文还更进一步,提出了一种快速在存储芯片网络中拷贝神经网络连接图的策略。通过直接连接上述细胞间记录的电流信号,存储芯片网络可以学习并且表达出大脑神经网络连接图。换句话说,研究人员可以直接下载大脑神经网络连接图,拷贝到存储芯片中。

然而,在复杂性方面有一个明显的问题。由于一个人的大脑大约有1000亿个神经元,其突触链接是其他神经元的1000倍,一个理想的神经形态芯片将需要大约100万亿个存储单元。

通过3D存储集成技术,上述庞大数量的存储芯片可以整合在一个单一芯片上。而三星电子目前就是3D存储集成技术的全球领先厂商。

在一份新闻通稿中,论文作者之一的Ham Don-hee表示:“我们所提出的研究愿景是很宏大的,如果朝着这个英雄般的目标前进,我们将会同时推进机器智能、神经科学和半导体技术的边界。”

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模仿大脑一直是电脑的方向之一

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