类脑芯片怎么搞？三星&哈佛：直接复制粘贴神经元

类脑芯片，到底该怎么做？

最近，三星联合哈佛大学就提出了一种“简单粗暴”的方法：

复制粘贴。

而且据介绍，这项研究是当前的技术无法企及的，因此最近还登上了Nature子刊。

具体而言，就是通过将大脑神经元连接图，“复制粘贴”到固态存储器的高密度3D存储网络上。

如此以来，就有望实现低功耗、易学习、适应环境，甚至是具备自主性和认知能力等特性的芯片。

那么他们为什么要做这样一个研究？

三星表示，虽早就在上世纪80年代，神经拟态电子学就被提出，但由于模仿人脑实在是太难了。

所以一直以来，大家做的都简化成了受大脑“启发”的技术，而非严格模仿。

现在，他们回到了最初的愿景，即在硅集成电路上真正地模仿人脑神经元网络的结构和功能。

如何“复制粘贴”？

为了实现这个目标，研究人员通过使用纳米电极阵列和存储芯片对神经元连接进行“复制、粘贴”。

此处的纳米电极阵列采用的是此前该团队在哈佛大学的研究成果：CMOS纳米电极阵列（CMOS nanoelectrode array，CNEA）。

CMOS纳米电极阵列将4096个电子通道集成在带有4096个垂直纳米电极的CMOS芯片中，以此连接细胞内的并行记录（Parallelization of intracellular recording，神经科学的一个重要研究方向），可以映射神经元的功能性突触连接。

下图左为电镜下CMOS纳米电极阵列模仿的大鼠神经元；

右为通过计算机辅助分析程序从该CNEA上提取出的突触连接图。

“复制”或者说提取出来了神经元连接图，接下来就是“粘贴”到存储网络中。

可以通过对每个记忆进行编程合成记忆网络，使存储器能通过电导（conductance）反应每个神经元连接的强度来实现。

或者也可以采用直接下载连接图到存储芯片上的方案：

用记录的信号直接驱动一个N×N的存储器交叉杆阵列，进行突触连接图的物理压印（physical imprinting）。

“粘贴”这一步可搭载的存储网络包括闪存、磁性随机存取存储器（MRAM）、相变随机存取存储器（PRAM）和电阻式随机存取存储器（RRAM）。

以上就是该团队“复制粘贴”方法的简单介绍，感兴趣的可以进一步查看论文。

为神经元连接研究提供了一种新的可能和方向

尽管这个方法还只是个理论，真正实现起来还有很多挑战。

但这项研究是一项开创性的努力，为神经元连接研究提供了一种新的可能和方向，有着巨大的应用前景。

三星表示他们也在利用其在芯片制造方面的经验，希望通过对神经拟态工程的研究，推动机器智能、神经科学和半导体技术的发展。

同时也毫不避讳地表示正在“野心勃勃”地争取他们在下一代人工智能半导体领域的领先地位。

哦对了，回到这项研究本身，由于人类大脑中大约有1000亿个神经元，以及大约一千倍的突触连接，最终这样的神经形态芯片将需要100万亿左右的内存。

不过通过存储器的3D集成，在单个芯片上集成如此大规模的存储器将成为可能。

而这个为存储器行业开辟了一个新纪元的3D集成技术，也是由三星牵头研发。

论文地址： https://www.nature.com/articles/s41928-021-00646-1

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