【編者按】隨著 人工智能 的發(fā)展，之前越來越多不可思議的事情都會慢慢變成現(xiàn)實。提到芯片我們都會驚嘆其強(qiáng)大的存儲記憶功能，但是如果這種芯片未來可以像人類大腦一樣來識別和應(yīng)用于各種事物，那將智能科技的重大進(jìn)步。本文通過分析中國、法國、美國以及日本的科學(xué)家關(guān)于非線性振蕩的研究，來探討 納米神經(jīng)元 如何賦予 神經(jīng)形態(tài)芯片 語音識別 功能。

本文來源于spectrum.ieee.org，作者Dexter Johnson；由億歐編譯。

不久前，IEEE Spectrum網(wǎng)站發(fā)布了一份關(guān)于“ 我們能復(fù)制人類大腦嗎？ ”的報告。該報告對所有正在進(jìn)行的，無論在硬件還是軟件方面復(fù)制人類大腦的研究進(jìn)行了徹底的盤查。

圖中所覆蓋的紅色區(qū)域是 模仿大腦神經(jīng)元的神經(jīng)形態(tài)芯片 。據(jù)該領(lǐng)域的知名研究者介紹，神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)確實存在，但仍遠(yuǎn)未達(dá)到超越傳統(tǒng)計算程序的程度。

目前，來自法國、美國和日本的國際科學(xué)家團(tuán)隊已經(jīng)把注意力集中在 人類神經(jīng)元的非線性振蕩領(lǐng)域 ，他們相信該研究將使人造神經(jīng)元的能力不斷接近我們大腦中的神經(jīng)元，而且使微型神經(jīng)形態(tài)芯片能夠?qū)W習(xí)和適用于各個領(lǐng)域。

非線性振蕩器將輸入的常量轉(zhuǎn)化為一種振蕩。例如，擺鐘是非線性振蕩，神經(jīng)元也是非線性振蕩，但是如果你用恒定電流刺激它們，它們會周期性地發(fā)射電壓峰值。

發(fā)表在Nature雜志上的一項研究表明，來自中國、法國、美國以及日本的科學(xué)家共同致力于縮小人造非線性振子，直到108個振子可以一個拇指大的芯片內(nèi)的二維數(shù)組里。

目前來看，納米級設(shè)備似乎是最佳的選擇，雖然這些設(shè)備也不是十全十美，比如噪音大，缺乏穩(wěn)定性。但是科學(xué)家仍然選擇使用納米級的自旋振蕩器，而不是具有記憶功能的設(shè)備或超導(dǎo)設(shè)備。 該振蕩器由磁性隧道結(jié)構(gòu)成，并成為巨大磁電阻硬盤驅(qū)動器上讀頭的主干。

來自法國科學(xué)研究中心的Julie Grollier表示：“與記憶性振蕩器相比， 磁振蕩 由于其可循環(huán)性，具有非常穩(wěn)定的性能。磁性隧道結(jié)幾乎具有無限的耐力，而記憶電阻器在其一百萬次循環(huán)之后開始退化。”

Grollier補(bǔ)充說，磁振蕩比超導(dǎo)脈沖更容易測量。在室溫下就可以進(jìn)行，而且發(fā)射的電壓通常是100毫伏，其數(shù)量級大于約瑟夫森結(jié)的數(shù)量級。

自旋納米振蕩器是由兩個被非磁間隔器分離的鐵磁層組成的支柱。當(dāng)電荷流經(jīng)這些連接點(diǎn)時，它們就會形成自旋極化的電流，并在磁化過程中產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。這就導(dǎo)致了一種稱為磁化矢量運(yùn)動的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象發(fā)生在情況是，當(dāng)有未成對的電子自旋原子被放置在磁場中，并以精確的頻率圍繞磁場旋轉(zhuǎn)時。這種持續(xù)的磁化矢量運(yùn)動產(chǎn)生的頻率從幾百兆赫到幾萬兆赫。然后，通過磁阻將磁化振蕩轉(zhuǎn)化為電壓振蕩。由此產(chǎn)生的射頻振蕩高達(dá)數(shù)十毫伏，這可以通過測量連接點(diǎn)的電壓來檢測。

Grollier表示：“ 我們采取時分多路傳輸策略，利用磁性納米神經(jīng)元模擬了一個具有400個神經(jīng)元的完整網(wǎng)絡(luò)。 磁柱扮演每個神經(jīng)元的角色，就像一個演員在電影中扮演所有角色一樣。”

為了測試該系統(tǒng)，研究人員試圖用它來進(jìn)行聲音識別。 他們將音頻信號轉(zhuǎn)換成電流，然后通過納米神經(jīng)元發(fā)送電流。這些電子波形使納米磁體中磁化的誘發(fā)振蕩加速了一千倍。磁振蕩通過磁阻效應(yīng)轉(zhuǎn)化為神經(jīng)元間的電壓振蕩。他們用一個示波器記錄了這些電壓的變化，然后用計算機(jī)模擬突觸功能，從而讓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)。

Grollier說：“我們已經(jīng)實現(xiàn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠識別由不同人發(fā)出的語音數(shù)字，其成功率為99.6%，這與那些體積龐大的神經(jīng)元的效果一樣好，甚至更好。研究結(jié)果表明，磁性納米神經(jīng)元能夠準(zhǔn)確可靠地完成認(rèn)知任務(wù)。”

磁性納米神經(jīng)元與磁性存儲單元的結(jié)構(gòu)完全相同，而且該神經(jīng)元由億萬個硅元素構(gòu)成。 在未來的幾年里，研究人員致力于將這些神經(jīng)元緊密連接并控制其耦合，以便建立能夠進(jìn)行處理復(fù)雜信息的大型網(wǎng)絡(luò)。 Grollier表示， 最終的目標(biāo)是研發(fā)出能夠?qū)W習(xí)和適應(yīng)各種變化的智能、低功耗的微型芯片。 這些芯片將廣泛用于各個領(lǐng)域，包括實時分類海量數(shù)據(jù)、駕駛自動汽車以及醫(yī)療診斷等。

本文作者申達(dá)，億歐專欄作者；微信：shendamila（添加時請注明“姓名-公司-職務(wù)”方便備注）；轉(zhuǎn)載請注明作者姓名和“來源：億歐”；文章內(nèi)容系作者個人觀點(diǎn)，不代表億歐對觀點(diǎn)贊同或支持。