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2018-02-01晶片上的「大腦」──人工突觸材質大躍進
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【本刊訊】在「神經型態計算（neuromorphic computing）」裡，研究人員嘗試設計出運作上與大腦雷同的電腦晶片，不同於當今二進制法（binary）、開／關訊號等數位晶片，該領域利用「晶片上的大腦」這個元素作類比，進而交換訊號梯度（gradient）或重量，就好像神經根據型態與突觸（synapse）間離子數量活化一般。
而這個被製造出來的「器官」約足球大小，在任何時刻下，單一神經元皆能透過突觸、將指令傳送給成千上百個神經元；突觸為神經元間的空隙，也是神經傳導物質作交換的地方。大腦中有超過100萬億個突觸，調整神經訊號並強化培養中的神經的部分連結，使大腦能迅速地辨識形體、產生現實感，甚至學習新知。
這種可攜式、低耗能的神經型態晶片，就像大腦一樣，能有效率地處理百萬條平行計算流，目前僅超級電腦的巨型資料庫做得到，而這種便攜式人工智能有個重點需要處理──神經突觸，這個部分在硬體上特別難實踐。不過，麻省理工學院的工程師已設計出一種人工突觸，其可精準控制當中的電流強度，運作起來彷彿神經元間的離子流一般，而團隊更以矽鍺製造的人工突觸來建置小巧的晶片，並發現晶片與突觸可針對手寫進行辨識。
大多數神經型態晶片設計，含有被開關介質隔開的2個傳輸層，以利對神經元間突觸進行仿真模擬。當供給電壓時，離子會在開關介質間移動並產生導電絲，如同突觸重量發生改變。然現實狀況是，離子流十分難控制，研究員之一的金（Yunjo Kim）表示，由於大部分的開關介質是由非晶的（amorphous）材料打造，如此一來離子可運行的通道就會多樣化，使得難以預測離子流向。人工突觸被施予電壓以展示其中資訊時，亦可將其拭除、並能以同一個方法再寫入一次，只是這在非晶物質裡，離子有太多選擇，該人工突觸也就缺乏均勻性。
不過，除了非晶材料煉造的人工突觸外，金姆與研究團隊亦看好一種原子作連續排列的單晶矽，並嘗試從中創造出精準的一維缺口，使離子的路線能被預期。團隊開始研究在顯微鏡解析下類似六角狀網格（chicken wire）形狀的矽晶體，並將形體類似的矽鍺放置其上，矽鍺的方格略大於單晶矽，在陰錯陽差下完美製造出類似通道的錯位（dislocation），符合團隊對離子通道的期待。緊接著團隊便以矽鍺製作人工突觸、構築出神經型態晶片的樣貌，而每個突觸大小約僅25奈米，對此突觸施以電壓後所有突觸的電流都差不多，差異值僅4％，比起無晶體其性能更為均勻一致；單一突觸的測試下，每一次循環的電流之間差異更小，只有約1%左右。
最後，團隊開始探索此裝置如何實踐如手寫辨識等的學習功能，並透過電腦模擬，此神經網絡能以近97％的準確率成功辨識手寫體。未來，實驗室將繼續研究其實際應用的面向，望能將神經網絡裝置的學習效能發揮得更好。