芯片造脑,科幻照进实际了?

文章来自微信民众号:新智元(ID:AI_era),原标题:《芯片造脑:华人博士一作Nature两连发,神经拟态盘算竟像人脑一样“低能耗”》,泉源:phys.org,头图泉源:影戏《异形:左券》

新智元导读:想要打造类脑盘算机,最主要的是要模拟突触。近日,类脑盘算又出新打破,马萨诸塞州立大学研讨小组运用蛋白质纳米线作为生物导线,制作神经形状忆阻器,能在人类大脑一样的电压下运作,模拟大脑体式格局接收信息。元勋竟然是小小的地杆菌,能导电还能复原金属。

差不多10年前,在神经拟态盘算范畴,科学家们就入手下手揣摩一种叫做忆阻器的微型东西,这类东西能够像真正的大脑突触一样事情。这在当时照样一个遥不可及的妄想。

想要打造类脑盘算机,最主要的是要模拟突触。要知道,人脑的事情主要依靠突触在神经元之间通报信号。人脑中,突触数目约为神经元的10000倍,因而最症结的是怎样取得功耗低、可高密度集成的人工突触器件,这时候构造简朴又节能的电子元件忆阻器就排上了用处。而且忆阻器能够在电源封闭今后,仍能“影象”先前经由历程的电荷量。

芯片造脑,科幻照进实际了?

10年今后,妄想照进实际,一种更优良的忆阻器诞生了。

运转电压不到传统盘算机的8%,神经拟态忆阻器和大脑一样节能

马萨诸塞州立大学阿姆斯特分校的一个研讨小组发明,他们运用蛋白质纳米线来作为生物导线,来制作神经拟态忆阻器,或者说“影象晶体管”。

和大脑突触一样,它在异常低的能耗下高效运转,在神经元之间通报信号。节能又环保,异常好用!

芯片造脑,科幻照进实际了?

从微生物地杆菌中提取的蛋白质纳米线(绿色),增进了影象电阻器装配(银色)在生物电压下事情,模拟了大脑中的神经元组件(蓝色衔接)

正如第一作者、电子盘算机工程博士Tianda Fu诠释的那样,神经形状盘算机最大的停滞之一,是大多数传统盘算机的运转电压凌驾1伏,而大脑神经元之间的电压要低许多,平常在80毫伏以下,在这类电压下发送信号,也就是动作电位。

Fu示意,运用马萨诸塞大学安姆斯特分校由微生物学家 Derek Lovely 从地杆菌上取下来的蛋白质纳米线,他如今已将影象电阻器的电压调解到了神经拟态的电压程度。这些测试是在电子盘算工程研讨员Jun Yao的试验室举行的。

Yao说: “这是有史以来第一次一个装备能够在与大脑雷同的电压程度下事情。我们造出的这个装备,和大脑中的生物身分一样节能,真正完成了超低功耗盘算才能。这是一个严重的概念上的打破,我们以为,它将在生物电子学范畴引发更宽大的探究空间。”

能导电还能复原金属,元勋竟然是小小细菌?

这类地杆菌很奇异,他喜好电,就像皮卡丘。

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  地杆菌

地杆菌,学名叫地杆菌科细菌,是一种异常主要的异化 Fe(Ⅲ)复原菌,普遍散布于 Fe(Ⅲ)复原环境,比方淡水堆积物、有机物或重金属污染的地下水堆积层等,具有主要的生物修复功用。

这类地杆菌上面的蛋白质纳米线运用局限很广,能导电,同组研讨人员此前曾开发过一种发电装配,也是借助这类蛋白质,运用氛围中的水份就可以发电。

研讨人员指出,地杆菌的导电蛋白纳米线和高贵的硅纳米线比拟,有许多长处,因为硅纳米线会发作有毒的化学物资,生产历程也会斲丧大批能量。

比拟之下,地杆菌蛋白质纳米线在水或体液中也更稳固,这关于生物医学的运用至关主要。Fu和Yao对这些纳米线举行了许多测试,比方,测试它们在差别电压下的机能。他们本身设想了一个电子脉冲开关,经由历程一个细小影象电阻里的金属线发送正负电荷。

芯片造脑,科幻照进实际了?

他们之所以用金属丝,是因为蛋白质纳米线能够增进金属复原,转变金属离子的回响反映性和电子转移机能。地杆菌具有这类奇异才能并不新鲜,因为它也要呼吸,用化学体式格局复原金属,来猎取能量,就和人要呼吸氧气一样。

《天然》上宣布的论文中详细诠释了,蛋白质纳米线能够增进银(Ag + )的复原。因为复原发作在生物环境中,表明他们能够催化生物电压影象电阻器。因而,研讨员运用蛋白质纳米线构建了银影象电阻器,轻易切换。

Yao诠释说,跟着脉冲开关在金属丝中变化,这个比人类头发直径小100倍的微型装配制造出了新的分支和衔接,就和人类的大脑一样。发作新的衔接的历程,和人类大脑中进修新事物,接收新信息的历程是一样的。

当代神经科学中,大脑就是一种生物盘算机,虽然运转机制和传统盘算机很不一样,然则它们用相似的体式格局从周围天下中取得信息、存储信息、处置惩罚信息,从这个意义上讲,大脑就是盘算机中的中央处置惩罚器(CPU)

Yao补充说,“你能够调治纳米线影象电阻突触的传导性或可塑性,如许它就可以够模拟大脑中用于盘算的生物组件。”与传统盘算机比拟,这类装备的进修才能显著不是基于软件。

芯片造脑,科幻照进实际了?

读博时代一年连发2篇Nature,论文一作Tianda Fu报告试验历程艰苦

依据第一作者Tianda Fu的Facebook显现,他中学就读于北大附中,大学时代在重庆大学。

芯片造脑,科幻照进实际了?

头像

博士时代就读于UMass Amherst(马萨诸塞大学安姆斯特分校),攻读电气与盘算机工程技术,现在在该校担负Graduate Research Assistant。

UMass Amherst始建于1863年,是享誉天下的美国有名公立大学体系麻省大学体系旗舰校区,也是建校最早的校区,为天下大学同盟成员。

依据Google学术,他的研讨方向是生物电子以及忆阻器。算上本次宣布的论文,进击宣布论文6篇,个中2020年有2篇宣布在Nature上,一篇宣布在Nature communications。

芯片造脑,科幻照进实际了?

Google学术

Fu的研讨历程也并不是一帆风顺。他回忆说: “第一批试验当中,纳米线的机能差强人意。” 在两年多的时间里不停重复尝试,直到有一天,电脑屏幕上显现的电压丈量效果让他大吃一惊。

“我还记得那一天。在丈量电压时,我们一向盯着电脑屏幕看。电压一向在下落,我俩说,‘哇,起作用了,几乎太激动了。”

这项研讨将来有辽阔的运用远景,比方说能够用于监测心率的装配。Fu,Yao和同事们将继承针对忆阻器中蛋白质纳米线的化学、生物学和电子学运用举行周全的探究。Yao补充说: “有朝一日愿望这类装配能够与生物体系中的实在神经元举行对话。”

芯片造脑,科幻照进实际

以往的研讨中,差别的神经体系有着差别的神经元模子,突触模子和收集模子。

2016年, IBM制作出天下首个人造纳米级随机相变神经元芯片,可完成人工智能的高速无监视进修。这一效果主要在于神经拟态盘算方向,是以新器件的体式格局直接模拟脉冲神经元的行动。能够完成大标准的图像辨认,信号传输速率快,功耗低。

2019年,英特尔公司展现了其最新的可模拟800多万个神经元的Pohoiki Beach芯片体系,标志着人类向机械模拟大脑又近了一步。这个新型芯片具有800多万个“神经元”(相当于某些小型啮齿动物的大脑)和80亿个“突触”。

它在人工智能使命实行中实行速率比传统的CPU要快一千倍,能效进步一万倍。这一芯片体系已被运用于模拟皮肤触觉感到、控制假腿及玩桌球游戏上等使命中。它在图像辨认、自动驾驶和自动化机械人上带来庞大提拔。

近日,宣布在《天然机械智能》杂志上的一篇文章指出,英特尔的神经拟态芯片Loihi习得了10种风险品差别气息的特性。它的深度进修才能建立在大数据分析之上,去模拟人类嗅到气息的大脑运转机制。这一发明,具有“嗅觉”神经拟态芯片机械人在监测环境,检测风险物资,等方面有很大的商用潜力。如运用在机场安检地区,能够高效辨认有伤害的物资。

神经拟态芯片不停发展,将来类脑盘算也将渗入在我们生活的各个方面。

参考链接:

https://phys.org/news/2020-04-unveil-electronics-mimic-human-brain.html

https://www.nature.com/articles/s41467-020-15759-y    

文章来自微信民众号:新智元(ID:AI_era),泉源:phys.org

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