11月10日消息，新突據(jù)媒體報(bào)道，破全美國南加州大學(xué)約書亞·楊教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合多國科研機(jī)構(gòu)，球首成功研制出全球首款集成化人工神經(jīng)元“1M1T1R”?？钊?/strong>

該器件模仿生物神經(jīng)元工作機(jī)制，工神實(shí)現(xiàn)了皮焦耳級超低功耗運(yùn)行，經(jīng)元為構(gòu)建類腦硬件學(xué)習(xí)系統(tǒng)開辟了新路徑。新突相關(guān)成果發(fā)表于《自然·電子學(xué)》期刊，破全被譽(yù)為通向通用人工智能（AGI）的球首關(guān)鍵技術(shù)突破。

研究團(tuán)隊(duì)從生物神經(jīng)元的款人離子通道機(jī)制獲得靈感，創(chuàng)新采用擴(kuò)散型憶阻器作為核心元件。工神該材料在電壓作用下形成動態(tài)導(dǎo)電通道，經(jīng)元模擬神經(jīng)信號的新突積累與釋放過程。通過將憶阻器、破全晶體管和電阻三維垂直堆疊，球首研究人員成功將傳統(tǒng)需數(shù)十個(gè)晶體管實(shí)現(xiàn)的神經(jīng)元功能集成至單個(gè)晶體管尺寸的器件中，集成度提升兩個(gè)數(shù)量級。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，該人工神經(jīng)元在處理“噴發(fā)脈沖海德堡數(shù)字”語音識別任務(wù)時(shí)準(zhǔn)確率達(dá)91.35%。這項(xiàng)測試要求系統(tǒng)同時(shí)解析語音信號的時(shí)間序列與空間頻率信息，而傳統(tǒng)AI算法在此類時(shí)空數(shù)據(jù)融合任務(wù)中表現(xiàn)欠佳。1M1T1R神經(jīng)元展現(xiàn)出漏電積分、閾值放電等六大生物特性，使其能如真實(shí)神經(jīng)元般處理動態(tài)信息流。

能耗測試結(jié)果尤為引人注目：當(dāng)前版本神經(jīng)元單次放電僅消耗1皮焦耳，相當(dāng)于蚊子振翅能耗的千分之一。通過3納米制程工藝優(yōu)化，未來能耗有望降至艾焦耳級，較人腦神經(jīng)元節(jié)能數(shù)千倍。這意味著由數(shù)十億此類神經(jīng)元組成的電子大腦，在處理服務(wù)器級AI任務(wù)時(shí)僅需手表電池即可持續(xù)運(yùn)行。

在硬件架構(gòu)層面，該技術(shù)突破了馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的瓶頸。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)處理AI任務(wù)時(shí)，CPU需反復(fù)從內(nèi)存調(diào)取數(shù)據(jù)，導(dǎo)致高能耗與延遲。而1M1T1R神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)采用事件驅(qū)動型異步通信，信號以脈沖形式在神經(jīng)元間直接傳遞，這種并行處理模式與人腦工作機(jī)制高度相似。實(shí)驗(yàn)顯示，由32個(gè)神經(jīng)元組成的微型網(wǎng)絡(luò)在平衡球控制任務(wù)中已展現(xiàn)出實(shí)時(shí)軌跡預(yù)測能力。

項(xiàng)目聯(lián)合負(fù)責(zé)人透露，美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室與NASA自2018年起便參與核心技術(shù)攻關(guān)?？蒲袌F(tuán)隊(duì)運(yùn)用原子層沉積技術(shù)，在納米尺度精準(zhǔn)控制憶阻器與晶體管的界面特性，并開發(fā)出能捕捉納秒級信號變化的專用脈沖發(fā)生系統(tǒng)。經(jīng)過七年技術(shù)迭代，器件壽命從最初數(shù)百次循環(huán)提升至百萬次級穩(wěn)定運(yùn)行。

該成果對AI硬件發(fā)展具有雙重意義：應(yīng)用層面，超低功耗使類腦芯片可植入可穿戴設(shè)備或醫(yī)療監(jiān)測裝置；學(xué)術(shù)層面，隨機(jī)性放電特征為機(jī)器學(xué)習(xí)提供了新優(yōu)化路徑——實(shí)驗(yàn)表明，適當(dāng)引入神經(jīng)元級噪聲可使網(wǎng)絡(luò)跳出局部最優(yōu)解，在圖像復(fù)原任務(wù)中將峰值信噪比提升12%。

目前研究團(tuán)隊(duì)正與半導(dǎo)體企業(yè)合作推進(jìn)7納米制程工藝開發(fā)。模擬顯示，采用先進(jìn)制程的芯片可將神經(jīng)元密度提升至每平方毫米10萬個(gè)，較現(xiàn)有GPU運(yùn)算單元密度提高三個(gè)數(shù)量級。這項(xiàng)技術(shù)有望在五年內(nèi)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，為自動駕駛、實(shí)時(shí)語音翻譯等領(lǐng)域帶來革命性變化。