MIT设计“大脑芯片” 可不联网让汽车摄像头完成图像识别任务

据外媒报道，美国麻省理工学院（MIT）的工程师设计了一款“大脑芯片”（brain-on-a-chip），比一块五彩纸屑还小，由成千上万个称为忆阻器的人工大脑突触制成。忆阻器是一种硅基组件，可以模仿人类大脑中传递信息的突触。

（图片来源：MIT）

研究人员借鉴了冶金原理，用银、铜和硅的合金打造了忆阻器。当运行芯片执行几个视觉任务时，该芯片能够“记住”存储的图像，并多次复制图像。与现在用非合金元素制成的忆阻器相比，此类芯片复制的图像更清晰、更干净。

该项研究展示了一种很有前景的新型忆阻器设计，可实现神经形态设备，此种设备是一种新型基于电路的电子设备，其中的电路以模仿人脑神经架构的方式处理信息。此种受大脑启发被研发的电路可以植入小型便携式设备，执行超级计算机才能处理的复杂计算任务。

MIT机械工程系助理教授Jeehwan Kim表示：“目前，人工突触网络以软件的形式存在。我们正试图为便携式人工智能系统构建真正的神经网络硬件。想象一下，将一个神经形态设备连接到车辆的摄像头，就可以识别出灯光和物体，并立即做出决策，根本无需连接到互联网。我们希望利用更节能的忆阻器在现场、实时完成此类任务。”

忆阻器，或称记忆晶体管，是神经形态计算的基本元素。在神经形态设备中，忆阻器将充当电路中的晶体管，尽管其工作方式与大脑突触（两个神经元之间的连接点）更类似。突触会从一个神经元接收到离子形式的信号，然后向下一个神经元发送相应的信号。

传统电路中的晶体管通过切换0和1值来传输信息，并且只有在接收到的电流信号具有一定强度时才会实现传输。相比之下，忆阻器会逐级工作，与大脑中的突触很像。它产生的信号会根据接收到的信号的强度而变化，因而单个忆阻器有很多个值，与二元晶体管相比，可执行范围更广的操作。

与大脑突触一样，忆阻器也能够“记住”与给定电流强度相关的值，并在下一次接收到类似电流时产生完全相同的信号，确保复杂方程的答案，或执行物体视觉分类是可靠的，而此前完成此类任务需要多个晶体管和电容器。

（图片来源：MIT）

最终，科学家们设想，与传统的晶体管相比，忆阻器所需芯片的面积更小，能够让功能强大的计算设备不依赖超级计算机，甚至无需连接互联网。

但是，现有的忆阻器设计使其性能受限。单个忆阻器由一个正电极和一个负电极组成，由“开关介质”或电极之间的空间隔开。当一个电极被施加电压时，离子会从该电极流过介质，形成一个“传导通道”，流到另一个电极。接收到的离子构成了忆阻器通过电路传输的电子信号，离子通道的大小（以及忆阻器最终产生的信号）应与刺激电压的强度成正比。

Kim表示，现有的忆阻器在电压刺激较大的传导通道，或者有大量离子从一个电极流向另一个电极的情况下，工作得很好。但是，当忆阻器需要更薄的传导通道产生更微妙的信号时，此类设计就不那么可靠。

传导通道越薄，从一个电极到另一个电极的离子流动越轻，单个离子就越难保持在一起，而且，离子会倾向于离开群体，在媒介中解散。因此，在小电流的刺激下，接收电极很难可靠地捕获相同数量的离子，以传输相同的信号。

因此，研究人员借鉴冶金学的一项技术，绕开了这一限制。通常来说，工程师们会用银作为忆阻器的正极材料。不过，研究人员寻找了一种可以与银结合的元素，从而能够有效地将银离子结合在一起，同时让银离子快速流到另一个电极。

该研究小组认为铜是理想的合金元素，因为铜可以与银和硅结合。为了用新合金制造忆阻器，研究小组首先用硅制造了负电极，然后沉积少量的铜制造了正电极，接着覆盖了一层银，还把两个电极夹在非晶硅介质周围，从而用成千上万个忆阻器制成了一毫米见方的硅芯片。

经过测试，发现该芯片能够顺利完成图像识别任务。研究人员表示：“我们希望进一步研发该项技术，使其拥有更大规模的阵列来完成图像识别任务，让人们可以携带此类芯片完成上述任务，无需连接到超级计算机、互联网或云端。”