仿生神经元突触，会是未来AI研发的新方向吗？
2023/1/6 10:30:00 未来光锥

     人工智能系统的发展越来越受限于其硬件水平，而新问世的超导光子电路模仿了脑细胞之间的联系，其运行速度可达人类脑细胞的3万倍，可工作所需的能量却只有人类脑细胞的千分之三。

     在人工神经网络中，神经元组件会接收传输的数据并协同解决诸如人脸识别一类的问题。在该过程中神经网络会反复调整神经元之间的突触连接，优化解决方案。随着时间推移，网络会模仿人脑的学习过程，找出最适合计算结果的模式，然后将其作为默认值。而在人工智能系统遇到的硬件挑战方面，受到大脑工作方式的启发，研究人员开发了一套“神经形态”计算机硬件，其结果发表在Nature Electronics上。

    

     论文截图

     举例来说，神经形态微芯片组件只有在给定时间内接收到一定数量的输入信号后，才会产生输出信号，这种策略更接近于真实的生物神经元的行为。由于这些设备很少发射脉冲信号，因此传输的数据要比典型的人工神经网络少得多，原则上也需要更少的电力和通信带宽。

    

     上图中的NIST超导电路就像一个人造突触，是大脑中神经细胞或神经元之间的连接 | S. KHAN AND B. PRIMAVERA/NIST

     然而，神经形态硬件通常使用传统的电子器件，因此其复杂性和运行速度受到限制。比如，每个生物神经元都可以拥有数万个突触，但神经形态装置很难将它们的人工神经元与其他神经元连接起来。一种解决方案是多路复用，即其中一个数据通道可以同时携带多个信号。不过这种策略也存在问题，随着芯片变得越来越大、越来越复杂，计算速度可能会因此变慢。

     在这项新的研究中，研究人员使用光发射器和接收器来连接神经元。光链路或是光波导，原则上能够以光速将每个神经元与数千个其他神经元连接起来。科学家们使用了能够检测单个光子的超导纳米线装置，将光信号极尽所能地减到最低，达到了能源效率的物理极限。

     执行光子神经计算非常棘手，因为需要能够进行长时间光捕获的收集装置。在集成芯片上制造这样的光学腔(optical cavities)，并将它们与许多波导连接起来很有难度。于是研究人员开发了混合电路，其中每个探测器的输出信号被转换为大约2皮秒长的超快电脉冲。这些脉冲每一个都由一个单一的磁涨落(fluxon)组成，这些磁流子位于超导量子干涉装置(SQUIDs)网络中。

    

     该效果图展示了如何使用模拟突触(大脑中神经元之间的界面点)超导电路创造未来的人造光电神经元 | J. CHILES AND J. SHAINLINE/NIST

     NIST的研究员Jeffrey Shainline说：“我们多年来一直在做理论工作，试图找出能够实现神经形态计算物理极限的技术原理。顺藤摸瓜，我们最终将单光子级别的光通信与约瑟夫森结(Josephson junctions)执行的神经计算结合了起来。”

     约瑟夫森结是由一层薄薄的绝缘膜隔开的超导材料，具有类似三明治的结构，SQUIDs 由一个或多个约瑟夫森结组成，如果通过约瑟夫森结的电流超过某一阈值，SQUID就开始产生磁流子。

     一旦感知到光子，单光子探测器就会产生磁流子，磁流子在SQUID的超导回路中以电流的形式被收集储存，可以作为一种记忆形式，记录一个神经元产生脉冲的次数。Shainline表示：“我们非常惊喜。虽然在设计、制造和实验上花费了大量时间，但在第一次制造时电路就成功了，这对它未来的可扩展性来说是个好兆头。”

     科学家们将单光子探测器与约瑟夫森结连接在一起，创造了一个超导突触。他们计算该突触能够产生超过1000万赫兹的峰值频率，而每个突触运行消耗大约33阿焦耳(attojoule)的能量(1阿焦耳=10^-18焦耳)。相比之下，人类神经元的最大平均峰值速率约为340赫兹，每次突触事件消耗约10飞焦耳(femotojoules，1飞焦耳=10^-15焦耳)。

     此外，科学家们可以将设备的输出调整为几百纳秒到几毫秒不等，这意味着硬件可以与一系列系统交互，从高速电子设备到与人类之间悠哉悠哉的交流都可以。未来，研究人员将把这些新突触与芯片上的光源结合起来，创造出完全集成的超导神经元。

     Shainline认为，这项工作中仍有许多巨大挑战，但如果能坚持到最后，很可能会是一个具有巨大的力量的人工智能计算平台。

     参考文献

     [1]https://spectrum.ieee.org/neuromorphic-computing-superconducting-synapse

     [2]https://www.nature.com/articles/s41928-022-00840-9

     编译：绿洲

     编辑：靳小明

     排版：尹宁流

     题图来源：见正文

     研究团队

     通讯作者 Sae Woo Nam, Jeffrey M. Shainline：美国国家标准与技术研究所

     课题组主页https://scholar.google.co.uk/citations?user=rnHpY3YAAAAJ&hl=en&oi=sra

     第一作者Saeed Khan, Bryce A. Primavera：美国国家标准与技术研究所

     论文信息

     发布期刊Nature electronics

     发布时间 2022年10月06日

     论文标题Superconducting optoelectronic single-photon synapses

     (DOI：https://doi.org/10.1038/s41928-022-00840-9)

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    源网页  http://weixin.100md.com
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