楊玉超：為晶元裝上人類大腦，神經計算機時代「晶體管」雛形！

2019年1月21日，《麻省理工科技評論》公布了2018年「35歲以下創新35人」（Innovators Under 35 China）中國區榜單。從榜單中，我們看到更多中國創新科研力量的崛起，也看到跨學科、跨領域、並且對落地應用有更強烈企圖心與使命感的科研創新，這其中涵蓋人工智慧研究與應用、NLP、腦科學、新材料、新能源、生命科學、生物科技、自動駕駛等多個不同領域。我們將陸續發出對35位獲獎者的獨家專訪，介紹他們的科技創新成果與經驗，以及他們對科技趨勢的理解與判斷。

關於Innovators Under 35 China榜單

自 1999 年起，《麻省理工科技評論》每年都會推出「35歲以下創新35人」（Innovators Under 35 China）榜單，旨在於全球範圍內評選出被認為最有才華、最具創新精神，以及最有可能改變世界的 35 位年輕技術創新者或企業家，共分為發明家、創業家、遠見者、人文關懷者及先鋒者五類。2017年，該榜單正式推出中國區評選，遴選中國籍的青年科技創新者。新一屆榜單正在徵集提名與報名，截止時間2019年5月31日。詳情請見文末。

「學習好是因為『強化學習演算法』訓練的結果，小時候爸媽和學校都會對學習好進行獎勵，於是在正反饋的激勵下不斷強化學習，最終形成了習慣。」楊玉超對於他的成長經歷，做了一個科學家式的有趣描述。楊玉超的研究之路充滿了傳奇色彩，如果要打一個恰當的比喻，那應該是哥倫布發現新大陸式的探索之旅。

探索之旅的啟程始於2008 年，那個時候楊玉超正在讀材料學博士二年級，研究電介質薄膜的時候發現一些製備不好的樣品漏電比較大，電流-電壓曲線還出現了回滯的窗口，這對於電介質薄膜來講是不好的現象，屬於比較失敗的樣品。但楊玉超在這個時候沒有習慣性地把失敗的實驗樣品丟到垃圾桶，而是刨根究底閱讀大量的文獻，想要弄清楚這種現象背後的機制。

閱讀文獻的過程中，楊玉超發現他的失敗樣品和2008 年惠普實驗室確立的第四種無源電路元件——憶阻器吻合，意識到這一點後，楊玉超從博士三年級開始就完全轉換了研究方向，從此全部投入到憶阻型器件及其應用的研究中。2009年，楊玉超在 Nano Letters 上發表了他個人在憶阻器領域的第一篇論文，從實驗上直接證實了憶阻器實現存儲功能的金屬導電細絲機制，惠普公司認為他的工作是憶阻器領域內的「重要進展」。

2010年，楊玉超博士四年級未完，就拿到了密歇根大學實驗室的 offer，最終他提前博士畢業，開啟了5年的留學生涯。在留學期間，楊玉超著重研究導電細絲在RRAM 器件中的動力學機制。在將近一年的時間裡，楊玉超經歷了無數次發現新問題、找新思路解決的曲折過程，終於切實觀察到了兩種不同的導電細絲生長動力學模式。之後楊玉超繼續發揮刨根問底的探索精神，在金屬顆粒層面更加深入地研究，最終從根本上解釋了迄今為止實驗中觀察到的所有不同導電細絲生長模式。楊玉超的這一系列研究，屬於國際首次，Nature Communications 和美國自然科學基金官網等都給予了極大的關注度，對其研究成果高度認可。

2015 年，楊玉超回國加入北京大學，在這裡他開始了新的探索之旅。而這次，楊玉超將他的下一個「小目標」設定為——研製出基於新型神經形態器件的高智能、低功耗類腦晶元。

為什麼憶阻器現在和類腦晶元聯繫在了一起？這是因為憶阻器的特性能夠用來模擬生物突觸和神經元的信息處理功能，也就是實現神經形態器件。不同於基於馮諾依曼架構——數據處理、存儲單元分離的傳統計算機，基於憶阻型神經形態器件可以模仿人腦的神經網路，通過類腦計算實現數據處理和存儲的高度融合，從而實現比傳統計算機運算要複雜出幾個數量級、同時能耗、硬體又省下幾個數量級的終極目標，進而引領未來計算機和智能產業的發展，給世界帶來深刻變革。

（來源：楊玉超）

類腦晶元和現在的專用晶元的區別在哪裡？這要從類腦計算的特性說起。簡單與現在非常流行的深度學習做一下對比，我們就知道其中的區別。

首先從數據量和精確度來說，深度學習需要大量數據餵養、消耗大量能源資源；但類腦計算理想情況下只需要很小的樣本就能完成特定任務，學習效率和能效更高。舉一個例子，一個小孩子看到寵物狗的次數可能非常少，遠遠比不上深度學慣用來訓練網路的圖片量，但是只要他看到過一兩隻寵物狗，之後所有的狗他都能辨認出來。

同時，人腦可以進行多任務處理，而深度學習儘管在很多應用領域都取得了令人矚目的成就，但在處理不同的任務時，仍然需要有不同的神經網路。除此之外，人腦處理信息能夠容納識別噪音，容錯率非常高。這些都是未來類腦計算可能優於深度學習的地方。

但是人類目前對於人腦機理的研究只弄懂了很小一部分。對於我們未知之處，楊玉超的觀點是如果把類腦晶元先造出來，可能反過來促進人類對於人腦的研究。舉一個例子，人們先模仿鳥類的飛行造出了飛機，然後才發展出了系統的空氣動力學。

在這樣一個革命性的研究領域，楊玉超認為，多學科交叉學習和研究能力對於持續的創新是不可或缺的，因為類腦計算囊括了電子工程、神經科學、物理學、計算機等不同學科。同時，板凳要坐十年冷、年復一年的堅持對於最後的出成果也至關重要。

儘管我們在晶元製造和設計上落後於發達國家，但是有像楊玉超這樣的科研者，我們對於中國未來的晶元應該抱有期待，中國晶元的彎道超車，或許能在類腦計算領域上實現。

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