相較于IBM最近為其認(rèn)知電腦發(fā)布的數(shù)位硬體模擬元件，莫斯科物理技術(shù)學(xué)院(Moscow Institute of Physics and Technology;MIPT)的研究人員致力于使用類比元件來打造電子腦(E-Brain)，使其得以像真正的生物大腦一樣作業(yè)。
相較于IBM最近為其認(rèn)知電腦發(fā)布的數(shù)位硬體模擬元件，莫斯科物理技術(shù)學(xué)院(Moscow Institute of Physics and Technology;MIPT)的研究人員致力于使用類比元件來打造電子腦(E-Brain)，使其得以像真正的生物大腦一樣作業(yè)。
俄羅斯的電子腦關(guān)鍵元件將采用憶阻器——這是由加州大學(xué)柏克萊分校教授蔡少棠所發(fā)現(xiàn)的;不過也有一說是源于神經(jīng)網(wǎng)路先驅(qū)暨史丹佛大學(xué)教授Bernard Widrow。無論如何，憶阻器，顧名思義，它能透過電阻的變化記憶有多少電流流過及其流向。MIPT并進(jìn)一步將其憶阻器縮小至40x40奈米。?
MIPT利用氧化鉿(HfO2)突觸(圖中明亮間隙)完成類比電子腦 (來源：MIPT)
在人類的大腦中，這種重要的功能是由持續(xù)生長(zhǎng)的化學(xué)“突觸”執(zhí)行的——由于突觸不斷生長(zhǎng)，使其于降低其電阻的同時(shí)，也提高了電導(dǎo)。如果未加以使用，突觸就會(huì)萎縮直至電導(dǎo)性降至零。這種功能通常在夜間睡眠期間啟動(dòng)，以便在日間增強(qiáng)重要事件。在白天，人們可能因?yàn)闇?zhǔn)備考試而學(xué)習(xí)(認(rèn)知記憶)、練習(xí)某種運(yùn)動(dòng)(肌肉記憶)或記憶單字、片語或列表(圖像記憶)，而使得某種的突觸生長(zhǎng)。
早在2011年，惠普(Hewlett Packard ;HP)就對(duì)于以憶阻器打造電子腦寄予厚望，但后來由于其注意力轉(zhuǎn)移至與海力士(Hynix)共同開發(fā)商用化憶阻器晶片而停擺;不過，新創(chuàng)公司Knowm不久前已經(jīng)發(fā)布以憶阻器為基礎(chǔ)的處理器元件了。
電子“突波”訊號(hào)經(jīng)由腦神經(jīng)元傳送至另一個(gè)訊號(hào)(黑線)，并同步傳送其他各種生物訊號(hào) (來源：MIPT)
如今，由俄羅斯政府支持的MIPT拾起了這一接力棒，全力打造基于類比原則的電子腦，使其得以像真正大腦一樣，不但能表現(xiàn)得較傳統(tǒng)電腦更智慧也更具能效。MIPT采用CMOS晶圓廠的通用材料——氧化鉿(HfO2)，重新發(fā)展這種創(chuàng)憶阻器，并帶來了重要?jiǎng)?chuàng)新。現(xiàn)在，MIPT逐一為其進(jìn)行整合，最終創(chuàng)造出類比電子腦，并期望以此超越IBM的數(shù)位“認(rèn)知電腦”。
“我們先在內(nèi)含金屬氧化物(特別是HfO2)薄層的憶阻器上施加電壓，即可從晶格中驅(qū)動(dòng)氧離子并進(jìn)一步達(dá)到其中的一個(gè)電極，留下(電荷)氧空位缺陷，并提供電子傳輸路徑，”MIPT奈米電子功能材料與元件實(shí)驗(yàn)室資深研究員Yury Matveyev解釋，“因此，憶阻器的電阻值由絲狀通道中的氧空位的濃度加以定義，而且更重要的是它會(huì)在憶阻器偏置期間隨時(shí)間而變化。”
目前，Matveyev在MIPT的研究團(tuán)隊(duì)正試圖利用其基于憶阻器的電子腦，模擬實(shí)際的人腦常用功能，例如記憶(即神經(jīng)學(xué)家所謂的長(zhǎng)期增益效應(yīng)或LTP)與遺忘(神經(jīng)學(xué)家所謂的長(zhǎng)期抑制效應(yīng)或LTD)，是由改變憶阻器的連接強(qiáng)度(由于是類比值，因而也稱為權(quán)重)而實(shí)現(xiàn)的。LTP與LTD共同搭配時(shí)，讓大腦具有可塑性——學(xué)習(xí)新技巧以及忘記不再需要的事物以便為學(xué)習(xí)新知挪出更多空間的能力。
“所謂的長(zhǎng)期增益效應(yīng)(LTP)與長(zhǎng)期抑制效應(yīng)(LTD)正是生物突觸的主要特性，定義其突觸的可塑性——即突觸改變其權(quán)重(連接強(qiáng)度)的能力，”Matveyev指出，“這種特性被認(rèn)為是細(xì)胞進(jìn)行學(xué)習(xí)與記憶的重要機(jī)制。為了因應(yīng)重復(fù)的脈沖偏置， LTP與LTD可被模擬為憶阻器中電阻——“突觸權(quán)重”(synaptic weight)——的逐漸變化。”
真實(shí)生物大腦(左)中實(shí)際的突觸連接電位變化，相較于MIPT憶阻器的電導(dǎo)系數(shù)變化——作為暫時(shí)區(qū)隔“突波”(右)的功能 (來源：MIPT)
IBM雖然采用脈沖模擬神經(jīng)元在學(xué)習(xí)期間刺激突觸的方式，其原理是計(jì)算接收到的突波與輸入直至超過可變閾值碼，然后啟動(dòng)類比電壓突波至其單輸出(即突觸后軸突)，使其連接至整個(gè)大腦中的其他許許多多的神經(jīng)元(有的軸突可能很長(zhǎng))。
“在我們的研究中，從兩種不同產(chǎn)生器而來的電壓脈沖都可看到真實(shí)的神經(jīng)元突波形狀(如圖)，”Matveyev解釋，“并施加在具有不同相對(duì)時(shí)間延遲的相反電極，從而模擬在突觸前后神經(jīng)元的突波。其結(jié)果是突波發(fā)生時(shí)間取決于其可塑性功能，如同憶阻器中的電阻變化作為相對(duì)電壓脈沖計(jì)時(shí)的功能，類似于生物突觸展現(xiàn)的行為。”
許多神經(jīng)科學(xué)家十分重視“突波發(fā)生時(shí)間”的價(jià)值，宣稱大腦有賴于同步發(fā)生突波，以便為相同的物件搭配視覺、聲音、感覺、味覺與嗅覺等。如果無法為電子腦模型打造出這種同步性，那么就只能學(xué)習(xí)到單獨(dú)的特性，而無法像人們一樣將所有的特性整合成多方面的物件感知。這種同步的特性也解釋了大腦為何能夠如此快速的作業(yè)、解決復(fù)雜的問題，而功耗僅20W——因?yàn)樯窠?jīng)元每秒放電可低至10次左右。