IBM研製出世界首個人造神經元，能模擬人類大腦工作方式

AlphaGo打敗韓國棋手李世石後，人工智慧概念引爆全球。谷歌、Facebook等科技巨頭還專門成立了人工智慧實驗室，布局人工智慧，想在深度神經網路計算等領域中有所突破。

對於人工智慧來說，演算法固然重要，但能以更低功耗，更快速度來運行演算法的晶元，是該領域不可缺少的環節，也成為了各大科技公司突破的關鍵。

於是，研究人員從人類本身出發，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、處理信息的晶元。

IBM5月公布的最新相變存儲晶元。

當地時間8月3日，IBM官方宣布，科學家使用相變材料，製造出了能存儲和處理數據的隨機脈衝神經元。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合，或是製造可用於認知計算領域的下一代超密集神經形態計算系統的關鍵。

相變，是指物質從一種相轉變為另一種相的過程。物質系統中物理、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並能提供潛熱的物質。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 蘇黎世研究院埃萬傑洛斯·埃萊夫特里烏負責。他在接受採訪時稱：「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，每個單元能穩定存儲3比特數據；現在我們再次證明，基於相變材料的人工神經元能執行多種計算，如檢測數據關聯等，而且速度快、能耗低。」

根據IBM的研究報告，最新製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和結晶態兩種穩定的狀態：一種非結晶態；一種結晶態，是製造可擦寫藍光光碟的基礎。

藝術家創作：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衝，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後，大腦給出的反應相似。

將該屬性用於探測行為，發現可以觀測到數據的實時流通聯繫。舉例來說，在物聯網中，感測器能收集並分析海量天氣數據用於天氣預報，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性。」IBM研究員 Manuel Le Gallo在接受採訪時說。

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。  來源：IBM研究院

與傳統材料製成的神經元不同，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十億次的開關操作，相當於以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）。

最後也是最重要的一點，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，比如從複雜的數學題目中得出局部最小準則（local minimum criterion，LMC），這是依靠演算法的數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晶元，並編寫能充分利用相變神經元晶元隨機特性的軟體。

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