IBM發(fā)明世界首個人造神經(jīng)元，離人腦模擬更近一步

受人類大腦運行方式的啟發(fā)，IBM蘇黎世研究中心制成了世界上第一個人造納米級的隨機(jī)相變神經(jīng)元。并在其基礎(chǔ)上構(gòu)建了由500個該神經(jīng)元組成的陣列，讓該陣列模擬人類大腦的工作方式進(jìn)行信號處理。

這一突破十分值得關(guān)注，因為這種相變神經(jīng)元是由目前完全已知的材料組成，另外特別重要的是——這種相變神經(jīng)元的尺寸能縮減至納米級。而且它們的信號傳輸速度很快，功耗確很低。另外，如同生物神經(jīng)元一樣——這種相變神經(jīng)元是隨機(jī)的（stochasticity），它們能一直產(chǎn)生稍微不同的、隨機(jī)的結(jié)果。這些人工神經(jīng)元可以在低功率情況下用來檢測模式（pattern）以及發(fā)現(xiàn)大數(shù)據(jù)中的互相關(guān)聯(lián)情況，還能在花費極少能量的情形下進(jìn)行高速無監(jiān)督學(xué)習(xí)。

讓我們來看一下這些相變神經(jīng)元如何構(gòu)建的：

像生物神經(jīng)元一樣，IBM 所發(fā)明的人工神經(jīng)元也有輸入端（樹突）、圍繞信號發(fā)生器（胞體、細(xì)胞核）的神經(jīng)元細(xì)胞膜（磷脂雙分子層）和一個輸出端（軸突）。從脈沖電流發(fā)生器（spike generator）到輸入之間有一個反向傳播連接，可增強(qiáng)某些類型的輸入信號。

這種人工神經(jīng)元和生物神經(jīng)元的主要區(qū)別是在神經(jīng)元細(xì)胞膜中，真正的神經(jīng)元細(xì)胞里面會是磷脂雙分子層，本質(zhì)上是用來充當(dāng)電阻器和電容器——阻止電流直接通過，但同時又在吸收能量。當(dāng)能量吸收到一定程度時，它就向外發(fā)射自己產(chǎn)生的信號。這信號沿著軸突傳導(dǎo)被其他神經(jīng)元接收，這一過程不斷反復(fù)進(jìn)行。

在 IBM 的人工神經(jīng)元中，神經(jīng)元細(xì)胞膜被替換成了小塊的鍺銻碲復(fù)合材料（GST材料）。GST 材料是復(fù)寫光碟的主要原料，也是一個相變材料。這意味著它能以兩種不同的相存在（晶體相或非晶體相），通過加熱（激光或者電力）能輕松的在兩者間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。相變材料因所在相不同，所具有的物理特性也相當(dāng)不同：在 GST材料中非晶相不導(dǎo)電，晶體相卻導(dǎo)電。

在人工神經(jīng)元中，鍺銻碲薄膜起初是非晶體相的。隨著信號的到達(dá)，薄膜逐漸變成晶體相—逐漸變得導(dǎo)電。最終電流通過薄膜，制造一個信號并通過該神經(jīng)元的輸出端發(fā)射出去。在一定的時間后，鍺銻碲薄膜恢復(fù)為非晶體形態(tài)，這個過程不斷反復(fù)進(jìn)行。

IBM單個相變神經(jīng)元運行過程

另外，由于各種噪聲（離子電導(dǎo)、熱量、背景噪聲）的存在導(dǎo)致生物神經(jīng)元是隨機(jī)的（Stochastic）。IBM研究人員表示，人工神經(jīng)元之所以同樣表現(xiàn)出了隨機(jī)特性是因為——每個GST 細(xì)胞的非晶體狀態(tài)在每次重置之后會有些許不同，隨后的晶態(tài)化過程也會不同。因此，科學(xué)家無法確認(rèn)每個人工神經(jīng)元會在何時發(fā)射信號。

此外，IBM 蘇黎世研究院在Nature Nanotechnology上發(fā)表了題為“隨機(jī)相變神經(jīng)元（Stochastic phase-change neurons）”的相關(guān)論文。 論文地址

論文的共同作者——Manuel Le Gallo（IBM 蘇黎世研究院研究學(xué)者、ETH Zurich在讀PHD）在最近接受的采訪中提到“我們的方法是非常有效率的，特別是在處理大量數(shù)據(jù)的時候。”下面是具體的采訪內(nèi)容：

Q：人工神經(jīng)元到底是如何工作的呢？

Manuel Le Gallo：神經(jīng)元有一個特別的功能，我們稱之為“整合和發(fā)射”。神經(jīng)元就像一個蓄電池一樣——如果你不斷向神經(jīng)元發(fā)送多重輸入信息，這個神經(jīng)元將會整合所有的輸入信息。根據(jù)輸入信息的總量和強(qiáng)度，膜電位將達(dá)到一定的閾值，然后神經(jīng)元就會進(jìn)行“發(fā)射”或者“脈沖放電”動作。這樣的一個蓄電池可以用來執(zhí)行令人驚訝的復(fù)雜計算任務(wù)。

Q：人類大腦的運行方式是如何啟發(fā)人工神經(jīng)元的發(fā)展呢？

Manuel Le Gallo：人工神經(jīng)元是模仿真正的生物神經(jīng)元建立的。人工神經(jīng)元沒有神經(jīng)元那樣完全相同的功能，但是可以通過使用這些神經(jīng)元實現(xiàn)接近真正大腦一般的運算結(jié)果。通常人工神經(jīng)元是基于CMOS的電路進(jìn)行搭建，這也是我們所使用的電腦中的標(biāo)準(zhǔn)晶體管技術(shù)。我們研究中主要使用非CMOS設(shè)備（如相變裝置），在降低功耗和提高區(qū)域密度的情況下實現(xiàn)了同樣的功能。

Q：你對這項工作有什么貢獻(xiàn)？

Manuel Le Gallo：在我過去的三年的表征和模型工作中，我們團(tuán)隊由此對相變設(shè)備的物理特征有了相當(dāng)?shù)牧私?。這對于在相變設(shè)備上設(shè)計神經(jīng)元并理解它們的功能是至關(guān)重要的。另外，我還負(fù)責(zé)文章中部分實驗數(shù)據(jù)的工作，并對結(jié)果的分析以及解釋做出了貢獻(xiàn)。

Q：人工神經(jīng)元能夠被應(yīng)用在哪種情況下？

Manuel Le Gallo：在我們的文章中，我們演示了其如何在多重事件流中檢測其互相關(guān)系。

Q：事件指代的是？

Manuel Le Gallo：事件可以是Twitter數(shù)據(jù)、天氣數(shù)據(jù)或者互聯(lián)網(wǎng)上收集到的傳感數(shù)據(jù)等。

Q：是什么使得神經(jīng)形態(tài)計算比傳統(tǒng)計算更有效率呢？

Manuel Le Gallo：在傳統(tǒng)計算中有一個單獨的內(nèi)存和邏輯單元，每當(dāng)要執(zhí)行計算時必須先訪問內(nèi)存、獲取數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭壿媶卧?，再返回計算。?dāng)?shù)玫揭粋€結(jié)果時，必須把它返回到內(nèi)存當(dāng)中，且這個過程不斷地來回進(jìn)行。因此如果你正在處理龐大數(shù)據(jù)的話，這將成為相當(dāng)麻煩的問題。

而在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，計算和存儲是同地協(xié)作的。你不需要建立邏輯區(qū)與內(nèi)存區(qū)之間的傳輸渠道，只需要在不同的神經(jīng)元之間建立適當(dāng)?shù)倪B接，我們認(rèn)為這是我們的方法（特別是用于處理大量的數(shù)據(jù)）將會更有效的主要原因。

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via arsTECHNICA  IBM Research Blog

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