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視學(xué)算法報道

編輯：張倩、蛋醬

三星 & 哈佛：我們有一個大膽的想法……

人的大腦有很多令人驚嘆的優(yōu)點，比如功耗低（相當(dāng)于一個 20 瓦的燈泡）、學(xué)習(xí)快（人類幼崽看幾張圖就可以學(xué)會一個概念）、環(huán)境適應(yīng)能力強，還具有自主和感知能力。如何把這些能力遷移到人工的智能設(shè)備上是一個終極難題。

為了挑戰(zhàn)這一難題，三星聯(lián)合哈佛大學(xué)提出了這么一個大膽的想法：把人腦結(jié)構(gòu)「復(fù)制 - 粘貼」到芯片上。相關(guān)研究登上了最近的「自然 · 電子學(xué)」雜志。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41928-021-00646-1

左起：三星高級技術(shù)研究院（SAIT）院士、哈佛大學(xué)教授 Donhee Ham，哈佛大學(xué)教授 Hongkun Park，三星 SDS 總裁兼首席執(zhí)行官 Sungwoo Hwang（前 SAIT 負責(zé)人），三星電子副董事長兼 CEO Kinam Kim ，四位為共同通訊作者。

如論文標(biāo)題所示，這項研究的精髓可以用兩個詞來概括：復(fù)制和粘貼。復(fù)制指的是利用 Ham 博士和 Park 博士（均為論文作者）開發(fā)的突破性納米電極陣列來復(fù)制大腦的神經(jīng)連接圖。粘貼則是指將復(fù)制的連接圖粘貼到一個固態(tài)存儲器的高密度三維網(wǎng)絡(luò)上。

三星表示：「大腦是由大量神經(jīng)元組成的，它們的線路圖負責(zé)大腦的功能。因此，對線路圖的了解是對大腦進行逆向工程的關(guān)鍵。」

與該技術(shù)相關(guān)的是一個名叫神經(jīng)形態(tài)工程學(xué)（Neuromorphic engineering）的研究領(lǐng)域。神經(jīng)形態(tài)（neuromorphic）這一觀點是在 20 世紀 80 年代，由加州理工學(xué)院的卡弗 · 米德（Carver Mead）提出的。神經(jīng)形態(tài)工程學(xué)就是希望采用模擬、數(shù)字或模 / 數(shù)混合的超大規(guī)模集成電路及其相關(guān)軟件來模仿生物神經(jīng)元、神經(jīng)回路以至更大規(guī)模的神經(jīng)組織架構(gòu)，制造一個仿真人腦芯片或電路，用以構(gòu)造低能耗、更接近于生物學(xué)真實性，實現(xiàn)神經(jīng)組織相應(yīng)功能的新器件。

但這是一個很難實現(xiàn)的設(shè)想，因為即使到現(xiàn)在，人類依然對大腦結(jié)構(gòu)知之甚少：那么多神經(jīng)元到底如何連接在一起才能創(chuàng)造出大腦的高級功能？

受限于此，神經(jīng)形態(tài)工程學(xué)的目標(biāo)已經(jīng)被簡化為設(shè)計一個「受大腦啟發(fā)」的芯片，而不是嚴格地模仿它。

但三星和哈佛的這項研究又將目標(biāo)拉回了原點：他們就是要實現(xiàn)大腦的逆向工程。

Ham 博士和 Park 博士開發(fā)的納米電極陣列能有效地進入大量神經(jīng)元，從而以很高的靈敏度記錄神經(jīng)元電信號。大量平行的細胞內(nèi)記錄提供了有關(guān)神經(jīng)元線路圖的信息，表明神經(jīng)元相互連接的位置，以及連接強度。因此，研究者可以從這些記錄中提取或「復(fù)制」神經(jīng)元線路圖。

接下來，研究者可以把復(fù)制的神經(jīng)元線路圖「粘貼」到非易失性存儲網(wǎng)絡(luò)中，比如我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫墓虘B(tài)硬盤（SSD）中的商業(yè)閃存或可變電阻式內(nèi)存（RRAM）等。我們可以對每種存儲進行編程，利用其電導(dǎo)率表示神經(jīng)元連接的強度。

這項研究進一步提出了一種將神經(jīng)元線路快速粘貼到存儲網(wǎng)絡(luò)上的策略。當(dāng)直接受細胞內(nèi)記錄的信號驅(qū)動時，經(jīng)過專門設(shè)計的非易失性存儲器網(wǎng)絡(luò)可以學(xué)習(xí)并表達神經(jīng)元連接圖。這是一種將大腦的神經(jīng)元連接圖直接下載到存儲芯片上的方案。

研究者使用了最新的神經(jīng)科學(xué)工具，一種名為 CMOS 納米電極陣列（CNEA）的硅神經(jīng)電子接口，能夠「復(fù)制」哺乳動物神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的功能性突觸連接圖，然后把這個圖「粘貼」到高密度的 3D 固態(tài)存儲網(wǎng)絡(luò)中。最新的 CNEA 將 4096 個電子通道集成在一個有 4096 個垂直納米電極的 CMOS 芯片中 (圖 a) ，將細胞內(nèi)并行記錄連接起來，從而可以映射 NNN 的功能性突觸連接 (圖 b)。在體外培養(yǎng)的大鼠皮層神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的 19 分鐘記錄中，擁有 4096 個通道的 CNEA 測量了 1728 個電極的細胞內(nèi)信號，可以說相比 10 個左右的片段記錄實現(xiàn)了重大飛躍。這個數(shù)字還可以很容易地進一步增加，因為可擴展性——制造更大、更密集的 CNEA ——是 CMOS 技術(shù)的本質(zhì)。

但是，這里有一個很大的問題，正如三星所提到的，「人腦預(yù)計有 1000 億左右的神經(jīng)元，突觸連接的數(shù)量還要更多（是前者的上千倍），最終的神經(jīng)形態(tài)芯片將需要 100 萬億左右的存儲空間。」

這是一篇前瞻性論文（perspective paper），因此文中的很多想法還停留在設(shè)想階段。三星沒有透露他們需要多長時間才能打造出這樣一個計算巨獸，或者它有多大，只是說，「三星電子主導(dǎo)的『3D 集成（3D integration）』技術(shù)開創(chuàng)了存儲產(chǎn)業(yè)的新時代，因此，在一個芯片上集成如此多的存儲將成為可能。」

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，計算問題或許很快就可以克服，但這一研究還有一個難題：Ham 博士和 Park 博士的納米電極陣列真的可以勝任「復(fù)制」的任務(wù)嗎？或許這才是這項研究的關(guān)鍵所在。

參考鏈接：

https://www.theregister.com/2021/09/27/samsung_planning_a_silicon_brain/

https://news.samsung.com/global/samsung-electronics-puts-forward-a-vision-to-copy-and-paste-the-brain-on-neuromorphic-chips

? THE END

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把大腦「復(fù)制-粘貼」到芯片上，三星、哈佛的大膽設(shè)想登上Nature子刊