新型自旋電子器件:可模仿人腦神經元與突觸!

2020-12-05 環球創新智慧

導讀

據日本東北大學官網近日報導，該校研究人員開發出新型自旋電子器件。這些自旋電子器件有望應用於未來高能效、自適應的計算系統，因為它們表現得像人腦中的神經元與突觸一樣。

背景

如今的信息社會構建在數字計算機的基礎上。半個世紀以來，數字計算機取得了迅猛發展，能夠可靠地執行複雜任務。

（圖片來源：維基百科）

相比而言，人腦採用了一種迥異於數字計算機的架構，運行在非常有限的功率下，並且可以高效地執行複雜任務。

因此，開發由人腦的信息處理方式啟發的計算體系或者硬體，吸引了來自物理、化學、材料、數學、電子與計算機科學等一系列領域的科學家們的廣泛興趣。

通過憶阻器陣列模仿神經元和突觸的工作方式（圖片來源：功能材料自旋電子學研究小組，格羅寧根大學）

在計算中，實現人腦處理信息的方式有許多途徑。脈衝神經網絡是一種實現方法，它近似模仿人腦的架構以及瞬時信息處理。

憶阻器製成的神經網絡系統（圖片來源：參考資料【1】）

成功實現脈衝神經網絡，需要具有神經元和突觸的專門硬體，這些硬體具有生物神經元和突觸的動態特徵。

生物神經網絡中的神經元與突觸（圖片來源：Aleksandr Kurenkov 與 Shunsuke Fukami）

在這裡，人工神經元與突觸理論上可以由同樣的材料系統組成，按照同樣的工作原理運行。可是因為它們與生物神經網絡中的神經元與突觸有著根本不同的特性，所以人工神經元與突觸的實現一直極具挑戰性。

創新

近日，日本東北大學的科研小組開發出新型自旋電子器件。這些自旋電子器件有望應用於未來高能效、自適應的計算系統，因為它們表現得像人腦中的神經元與突觸一樣。

（圖片來源：東北大學）

研究小組包括Hideo Ohno教授、Shunsuke Fukami副教授、Aleksandr Kurenkov 博士、Yoshihiko Horio 教授。他們採用自旋電子學技術創造出一種人工神經元和突觸。

技術

傳統的電晶體是基於電子的電荷特性製作的。隨著晶片上集成的電晶體數量不斷增加，電荷發熱的問題越來越嚴重，影響到晶片的處理速度與性能，阻礙了電子器件的進一步小型化。值得慶幸的是，電子還具有另一個內稟特性：自旋。自旋是粒子內稟角動量引起的內稟運動，要麼「向上」，要麼「向下」。

研究電子自旋（磁）特性的科學稱為「自旋電子學」。自旋可以被迅速改變，可避免電荷帶來的發熱問題，降低了功耗。因此，自旋電子學將使計算機、智慧型手機、智能硬體等電子產品變得更快速、更節能，也被認為是研究未來電子器件的一個非常有前景方向。

該研究小組之前開發出一種由反鐵磁性和鐵磁性材料組成的功能材料系統。這一次，他們製備了由材料系統微加工而成的人工神經元與突觸設備。基於同樣的自旋電子學概念，它們分別展示了生物神經元和突觸的基本行為：帶洩漏積分觸發（leaky integrate-and-fire）和脈衝時間依賴可塑性（spike-timing-dependent plasticity）。

（圖片來源：Aleksandr Kurenkov 與 Shunsuke Fukami）

價值

眾所周知，脈衝神經網絡優於如今處理和預測瞬時信息的人工智慧。將這項先進技術擴展到單元電路、模塊和系統級別，有望帶來能低功耗處理音頻和視頻等時變信息的計算機，或者在使用過程中適應用戶或者環境的邊緣設備。

關鍵字

人工智慧、神經網絡、腦、自旋電子、計算機

參考資料

【1】Chao Du, Fuxi Cai, Mohammed A. Zidan, Wen Ma, Seung Hwan Lee, Wei D. Lu. Reservoir computing using dynamic memristors for temporal information processing. Nature Communications, 2017; 8 (1) DOI: 10.1038/s41467-017-02337-y

【2】A. Kurenkov, S. DuttaGupta, C. Zhang, S. Fukami, Y. Horio and H. Ohno. Artificial neuron and synapse realized in an antiferromagnet/ferromagnet heterostructure using dynamics of spin-orbit torque switching, Advanced Materials, 2019; DOI: 10.1002/adma.201900636

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