人腦是自然界中最完美的信息處理系統，也是我們已知的宇宙中最複雜的智能主體。模擬人腦信息處理的方式，並仿製出像人腦一樣能夠「思維」，甚至在工作性能上超越人腦的「人工智慧計算機」，一直是許多科學家畢生追求的夢想。
近日，南京大學物理學院繆峰團隊分別在類腦視覺傳感器和可重構類腦電路方面取得重要進展，有望為未來開發基於二維量子材料的新型類腦晶片提供物理和技術基礎，成果於6月25日和6月30日分別發表在權威期刊《科學》子刊《科學進展》和《自然》子刊《自然電子學》上。
繆峰團隊一直專注於探索二維材料獨特的物理性質，並利用這些性質來實現打造未來的類腦計算硬體，近年來取得了諸多進展。
二維材料作為一種非常重要的量子材料，它具有原子的尺寸和有別於傳統三維體塊材料的全新物理性質，而且對外界刺激響應靈敏，使得對其性質進行調控成為可能。更為有趣的是，二維材料具有非常好的垂直擴展性，這讓研究人員可以像「搭樂高」一樣，在原子世界裡，將性質迥異的多種二維材料按照不同的順序進行堆垛，製造出自然界並不存在的新型結構材料。
這種「原子樂高」的方式能夠將二維材料中多個物理自由度進行耦合，創造出諸多新奇的物理現象，為在電子器件層面實現高逼真模擬神經元或者突觸，以及在電路系統層面實現類腦功能提供了可能。
類腦視覺晶片，搭建智能「傳感器」
「在人腦處理的信息中，超過80%都是通過眼睛獲得的。我們的眼睛本身就是一個非常先進的智能『傳感器』，所看到的東西，可以同時被探測和進行同步的智能處理。這是目前為止所有相機或圖像傳感器所不能及的，它們比我們的眼睛『笨拙』不少，必須先探測再處理。」繆峰告訴記者。
在《科學進展》中，繆峰團隊提出，可以通過「原子樂高」的方式搭建基於二維材料垂直異質結的類腦視覺傳感器，這些垂直結構不僅能夠自然地模仿人類視網膜的垂直分層結構，而且異質結中包含的不同二維材料可被用來模擬視網膜中不同細胞的功能。
團隊基於這種類腦視覺傳感器，進一步構建了能夠對感知的圖片信息進行同步處理的器件陣列，將陣列用於執行人工神經網絡的功能，對輸入圖像進行快速識別。該工作從原理上證明，利用範德華異質結的特性模擬人類視網膜結構和功能的研究思路有望將來被用來實現新型的類腦視覺晶片。「換句話說，未來利用這樣的視覺晶片，電子器件可以跟我們的眼睛一樣，在探測的同時，就進行圖像的智能處理。」繆峰表示。
類腦電路，用量子材料模擬「腦迴路」
人腦如此強大的信息處理能力完全依賴於組成其最基本的單元-神經元，以及它們之間的連接（突觸）。目前，類腦計算（neuromorphic computing）應運而生，正受到工業界和學術界的極大關注。類腦計算要求新型電子器件能夠在器件層面模擬神經元和突觸，以及在系統層面實現對人腦部分功能的模擬。
這些神經元對於信息的傳遞和處理方式完全不同於傳統計算機中，由基本元件——矽基電晶體所構成的電路。繆峰告訴記者，採用傳統矽基電晶體的電路來模擬人腦中的突觸或者神經元的功能，不僅需要耗費大量的硬體資源，而且執行信息處理的過程極其耗能。
團隊發現，利用一種二維層狀半導體材料（二硒化鎢）的雙極性場效應特性和可變的漏端電壓極性，可以設計出電場可調的二維同質結器件，從而在器件層面能夠實現「可重構」的多種電學特性。進一步通過對器件進行集成，團隊最終還實現了功能可重構的數字和類腦電路，與實現同樣功能的傳統矽基電路相比，該技術所需電晶體的數量大大減少，成功實現了「瘦身」的目標。
這項技術一方面有利於晶片的小型化和提升功能密度，另一方面能夠降低晶片的整體能耗，有望為物聯網、邊緣計算、人工智慧等應用的快速發展提供助力。這項工作也為可重構數字和類腦混合電路晶片的設計提供了一種全新的思路，有望未來從硬體上實現人工「電子大腦」。