（文章來源：環(huán)球創(chuàng)新智慧）

據(jù)美國德克薩斯A&M大學(xué)官網(wǎng)近日?qǐng)?bào)道，該校領(lǐng)導(dǎo)的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)和工程師們探索出一種基于材料的方案，它可以模仿負(fù)責(zé)在人腦內(nèi)傳遞信息的神經(jīng)信號(hào)，為類腦計(jì)算開辟了一條新途徑。

大腦是人體最重要的器官之一，它支撐著人的視覺、聽覺、平衡、學(xué)習(xí)等。大腦的構(gòu)造十分復(fù)雜，它由大約1千億個(gè)神經(jīng)元組成，并由約100萬億個(gè)突觸連接。這些神經(jīng)元與突觸一起構(gòu)成了一個(gè)極其龐大的生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。因此，大腦具備極其強(qiáng)大的計(jì)算與學(xué)習(xí)能力，能以極低的功耗，并行處理大量數(shù)據(jù)。即便是如今最強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)，在涉及到模式識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)管理及其他類似的復(fù)雜任務(wù)時(shí)，也無法與人腦抗衡。

科學(xué)家們希望從人腦中汲取靈感，來解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)所固有的問題（例如“內(nèi)存墻”問題）。他們?cè)噲D模仿人腦神經(jīng)元與突觸，在同一地點(diǎn)處理和存儲(chǔ)信息，為此打造了許多新型計(jì)算器件，較典型的有憶阻器、光學(xué)類腦計(jì)算芯片等。近日，美國德克薩斯A&M大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)和工程師們探索出一種基于材料的方案，它可以模仿負(fù)責(zé)在人腦內(nèi)傳遞信息的神經(jīng)信號(hào)，為類腦計(jì)算開辟了一條新途徑。

該多學(xué)科團(tuán)隊(duì)，由德克薩斯A&M大學(xué)化學(xué)家 Sarbajit Banerjee 領(lǐng)導(dǎo)，與德克薩斯A&M大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程師 R. Stanley Williams 以及來自北美和其他國家的同事們合作，在一種固態(tài)材料 β’-CuxV2O5 中探索出類似神經(jīng)元的電氣開關(guān)機(jī)制，特別是，它是如何按照指令在導(dǎo)電和絕緣行為之間可逆變化的。

團(tuán)隊(duì)通過重新研究 β’-CuxV2O5，厘清了驅(qū)動(dòng)這種行為的根本機(jī)制。β’-CuxV2O5 是一種像變色龍一樣的卓越材料，它可以根據(jù)溫度或者施加的電刺激來變化。在這一過程中，他們集中精力研究了銅離子如何在材料內(nèi)部四處移動(dòng)，以及這種微妙的舞蹈如何繼而使得周圍的電子四處移動(dòng)并改變材料的。他們的研究揭示了銅離子的運(yùn)動(dòng)是導(dǎo)電性變化的關(guān)鍵，這種變化可用于創(chuàng)造電尖峰，就像大腦神經(jīng)系統(tǒng)中神經(jīng)元的工作方式一樣，這代表朝著開發(fā)能模仿人腦的電路邁出了重要一步。

他們的成果論文于2月27日發(fā)表在 Cell Press 出版的期刊《Matter》上，論文第一作者為德克薩斯A&M大學(xué)化學(xué)系研究生 Abhishek Parija （現(xiàn)就職于英特爾公司）、Justin Andrews 和 Joseph Handy。在開發(fā)新的節(jié)能計(jì)算模型的過程中，由來自不同領(lǐng)域的合作者們組成的這個(gè)研究小組，利用具有可調(diào)諧的電子不穩(wěn)定性的材料，實(shí)現(xiàn)所謂的“神經(jīng)形態(tài)計(jì)算”，或者說模仿大腦獨(dú)特功能以及無與倫比效率的計(jì)算方式。

Williams 表示：“大自然賦予了我們具有適當(dāng)行為的材料，以模仿發(fā)生于大腦中的信息處理，但迄今為止，它們都具有不同的局限性。這項(xiàng)研究的重要性在于，化學(xué)家們可以理性地設(shè)計(jì)和創(chuàng)造神經(jīng)形態(tài)特性顯著改善的電活性材料。隨著我們懂得更多，我們的材料將顯著改善，這樣就可以為我們計(jì)算能力的持續(xù)技術(shù)進(jìn)步提供一條新途徑?！?/p>

Parija 表示，智能手機(jī)和筆記本電腦每次迭代都會(huì)變得更加快速流暢，而新材料以及擺脫傳統(tǒng)限制的計(jì)算范式，需要滿足持續(xù)增長的速度和能效要求。這些要求使得硅計(jì)算機(jī)芯片不堪重負(fù)，硅計(jì)算機(jī)芯片的能效正逐漸逼近極限。神經(jīng)形態(tài)計(jì)算就是能滿足這些要求的一種方案，在新材料中操控切換行為是實(shí)現(xiàn)它的一種途徑。

美國宇航局空間技術(shù)研究員 Andrews 表示：“神經(jīng)形態(tài)計(jì)算的中心前提（以及中心承諾），是我們?nèi)匀粵]有找到一條可以像人腦中的神經(jīng)元和突觸一樣高效執(zhí)行運(yùn)算的途徑。大多數(shù)的材料是絕緣的（不導(dǎo)電）、金屬般的（導(dǎo)電）或者兩者中間的狀態(tài)。然而，某些材料可以幾乎按照指令，在兩種狀態(tài)：絕緣（關(guān)）和導(dǎo)電（開）之間轉(zhuǎn)變?！?/p>

Handy 表示，通過廣泛地綜合計(jì)算技術(shù)與實(shí)驗(yàn)技術(shù)，團(tuán)隊(duì)不僅能夠證明，這種材料經(jīng)歷由溫度、電壓和電場強(qiáng)度變化驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)變，創(chuàng)造出類似神經(jīng)元的電路，而且全面解釋了這種轉(zhuǎn)變是如何發(fā)生的。不同于其他具有金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變（MIT）的材料，這種材料依賴于釩與氧的剛性晶格中銅離子的運(yùn)動(dòng)。

Handy 補(bǔ)充道：“我們從根本上展示了，結(jié)構(gòu)中非常細(xì)微的銅離子運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了整個(gè)材料導(dǎo)電性的巨大變化。因?yàn)殂~離子的運(yùn)動(dòng)，材料響應(yīng)溫度、電壓或者電流的外部變化，從絕緣狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài)。換句話說，施加一個(gè)微小的電流脈沖，就能讓我們改變材料，并在其中存儲(chǔ)信息，如同在電路中一樣，這很像大腦中神經(jīng)元的工作方式?！?/p>

Andrews 把釩結(jié)構(gòu)中銅離子運(yùn)動(dòng)與電子之間的關(guān)系比喻為舞蹈。Andrews 表示：“當(dāng)銅離子運(yùn)動(dòng)時(shí)，釩晶格中的電子一齊運(yùn)動(dòng)，反映出銅離子的運(yùn)動(dòng)。通過這種方式，銅離子極其微小的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了釩晶格中產(chǎn)生了大電荷，而釩釩鍵卻無任何明顯變化。這就像釩原子‘看到’銅離子在干什么，并作出響應(yīng)。”

目前，傳輸、存儲(chǔ)和處理數(shù)據(jù)，占據(jù)了全球能源使用的約10%。但 Banerjee 表示，外推法表明，到2040年，計(jì)算需求將超過全球計(jì)劃的能源供應(yīng)許多倍。因此，對(duì)于一系列變革性的愿景，例如物聯(lián)網(wǎng)、自主交通、抗災(zāi)設(shè)施、個(gè)性化醫(yī)療以及其他社會(huì)大挑戰(zhàn)來說，計(jì)算能力的指數(shù)級(jí)增長非常有必要，然而在處理人工和機(jī)器生成的數(shù)據(jù)的規(guī)模和復(fù)雜度方面，目前的計(jì)算技術(shù)能力有限。他表示，打破傳統(tǒng)計(jì)算技術(shù)限制的一條途徑就是從大自然中汲取靈感，特別是人腦的神經(jīng)電路，它在能量效率方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，也為機(jī)器學(xué)習(xí)和先進(jìn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提供了新方案。
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