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原标题：让“机器脑”类东说念主脑，要津安在？

东说念主脑在有限尺寸和极拙劣耗下，能够完成复杂环境中的信息关联系念、快速识别和自主学习等阐发任务。跟着芯片换代速率放缓、算力供不应求等挑战出现，面向畴昔，现存计较机的计较样式已难合计继。如何激动信息处理本事进一步发展，打造像东说念主脑相通的“机器脑”？末端类脑计较是破局的标的。要思末端类脑计较，就需要寻找更多模拟东说念主脑功能的神经形态器件。

鉴戒东说念主脑，让计较更高效、更具仿素性、更拙劣耗

电子计较机的发明将东说念主类文静带入了一场数字化科技创新。在短短几十年中，计较机的算力从每秒几百次运算到每秒百亿亿次运算，增长了1016倍，创造了几千年东说念主类文静史上最高的东说念主造增长速率。计较机算力的进步收成于底层半导体器件（硅基晶体管）的集成密度进步。按照摩尔定律，单芯片上晶体管的数目每18至24个月翻一番。

在昔日的半个多世纪，集成电路产业一直在摩尔定律的请示下发展。关联词摆在现实眼前的是，跟着摩尔定律不休靠近极限，单个硅基芯片能够承载的晶体管日渐饱和。硅原子的大小约0.12纳米，照此大小推算，当芯片工艺达到1纳米,就只须对几个硅原子进行足下的空间了。

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事实上，在芯片工艺发展到10纳米水平后，能显明感受到换代速率放缓、老本攀升等问题。而另一方面，跟着东说念主工智能大模子海浪席卷行家，对计较机算力的需求激增到了每2到3个月就要翻一番的进程，远超摩尔定律下的增长速率。

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面对芯片换代速率放缓、算力供不应求等挑战，数字计较机的计较样式一经难合计继，如何激动信息处理本事进一步上前发展，成为学界与社会百行万企共同靠近的难题。面对这一浩大困局，能够提供更高效、更具仿素性、更拙劣耗算力的类脑计较，成为破局的要津。

类脑计较是“国外半导体本事蓝图（ITRS/IRDS）”中的一个艰难考虑标的，旨在鉴戒东说念主脑的基欢喜趣，末端东说念主工通用智能（也称为类脑通用智能）。在2021年启动的“中国脑策画”中，类脑计较是一个艰难组成部分。

与传统计较机不同的是，东说念主脑在有限尺寸和极拙劣耗下，能够完成复杂环境中的信息关联系念、快速识别和自主学习等阐发任务。这与东说念主脑神经鸠合的基本组成和结构密切联系：东说念主脑中有860亿个神经元，止境于星河系天体的数目，并通过150万亿个神经突触互联组成了空间复杂的神经鸠合；同期东说念主脑的神经树突等组织进一步使神经计较功能复杂化。

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东说念主脑的这些神经组织包含了各样化的离子通说念，具备非常丰富的能源学行动，特征时候标准也卓绝几个数目级，这是东说念主脑智能的物理基础。相对应的，计较机基本的组成单位是电子晶体管，其责任在准静态的0和1编码状况下，与东说念主脑的丰富能源学相距甚远。

因此，类脑计较的末端，其中一个要津即是发现神经形态器件。它们不错模拟东说念主脑中神经元、神经突触、神经树突的功能，具有更贴近神经组织行动的物理机制，从而不错末端传统电子晶体管所不可末端的诸多类神经功能。

基于神经形态器件的类脑计较快速发展

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神经科学的考虑发现，神经元之间的神经突触承接强度的可调性，是大脑学习和系念功能的基础之一。由过往资历引起的神经突触承接强度改变，不错对大脑的功能产生影响。

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神经突触承接强度改变，也叫神经突触可塑性，不错增强或羁系神经元的行为，而且其握续的时候可从几毫秒到几小时、几天以致更永劫候，跨度很大。

如若能鉴戒神经突触可塑性旨趣，用某种妙技来师法和末端，构建雷同于神经突触的东说念主工突触，再进一步构建出系统，就不错更好地交融和模拟大脑的责任样式，进一步激动信息学和神经科学的交叉发展，末端类脑计较。

早在1971年，科学家蔡少棠就曾启发式地推理预言了一种新式器件——忆阻器。字据预言，忆阻器的电阻值取决于所施加的电压/电流激发历史，因此具有类神经系念特色。

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在这一预言昔日37年后，惠普实验室文告忆阻昂扬在新式微纳半导体器件中被不雅测到。此后，忆阻器件和神经形态器件险些成了两个不错互换的意见，基于神经形态器件的类脑计较也参加了快速发展的阶段。

忆阻器当作一种有后劲的电路元件，除了生物相似性除外，在可微缩能力、存储密度和功耗等方面也要优于传统的晶体管器件。

连年来，在材料本事和功能方面，神经形态器件皆获得艰难弘扬。在材料本事方面，考虑东说念主员平淡应用各式材料——无机物、有机物、量子材料、铁电材料、铁磁材料、三维体材料和二维材料等，它们展现出各自独到的神经形态特色，为忆阻器的发展提供了各样性和机动性。将传统晶体管和忆阻器进行搀和的神经形态集成电路考虑也获得了权贵弘扬，加快了忆阻器的应用扩充。在功能方面，忆阻器不仅能够模拟神经突触的可塑性功能，还不错模拟神经元的某些功能，这为末端全忆阻器的神经形态电路创造了可能性。

讹诈晶体管“非理思”物理机制，模拟东说念主脑系念功能

关联词，神经形态器件发展到这个阶段，靠近着新的挑战。其中一个要津挑战是仿生能源学功能不及，难以悠闲类脑计较对丰富神经形态能源学的条目。

正如前边所提到的，东说念主脑的丰富能源学行动与神经组织中各样化的离子通说念结构和机理是密切联系的。然则当今主流的神经形态器件时常是为模拟某一种特定的神经行动来定制，选拔特定的单一物理机制来末端。

如若需要末端丰富的仿生能源学功能，就需要发展全功能的能源学神经形态器件。不外，往交往讲，功能越全面就需要更大尺寸的硬件，这与现时芯片的袖珍化相矛盾。要贬责这个问题，就需要探索新式的器件旨趣和新的半导体材料。

前边提到，神经突触可塑性的一大特征是能源学时候标准卓绝几个数目级，这是东说念主类阐发和系念功能的一个基础。事实上，咱们每个东说念主皆能感受得到这种能源学的存在——偶而候一件事情让东说念主终身紧记；而偶而候上一秒的事情，下一秒就忘了。这即是永久系念和短期系念两种时候标准不相通的能源学行动，它们的共存匡助咱们保留艰难的信息，同期过滤掉不艰难的信息，给大脑减负。然则现存的单器件东说念主工突触，只可对永久可塑性或短期可塑性进行取舍性的模拟，不可集成模拟。

基于这些神经突触旨趣，对东说念主工突触器件和生物突触进行比较不错发现，它们之间有一个浩大的区别——前者讹诈交流的物理机制模拟两种功能，尔后者分辩讹诈来自突触后膜和前膜不同的钙离子通说念机制来末端。

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受此启发，清华大学类脑考虑中心的考虑团队将目力移回到晶体管上。当作计较机芯片的基本元器件，晶体管器件中履行蕴含了两种物理机制——“场效应”机制和“忆阻”机制。“场效应”机制让晶体管在0和1状况间切换，但莫得握续供电的话，状况就会很快消失，从节能的角度来说不尽如东说念主意。“忆阻”机制会让0、1状况期凌，这在以往被视为不利影响，是以在制造计较机芯有顷一定要扎眼“忆阻”机制的泄露。但“忆阻”机制还有一个特色——在断电后依然能握久地存在。

这两种关于传统计较机芯片来说不够无缺，以致不利的物理机制，不恰是类脑计较中模拟突触长、短期可塑性功能所需要的吗？

至此，谜底呼之欲出。通过对这两种机制的“反向”讹诈，清华大学类脑计较考虑中心团队建议的能源学神经形态晶体管本事，使得长、短期系念能源学功能不错在单个器件中集成地模拟，贬责了类脑科学范围内的一个要津本事难题。

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寻找更多能模拟东说念主脑神经计较的半导体器件

神经元是另一种基本神经计较单位，其阈上的放电和阈下的摇荡参与了险些通盘的阐发功能范例，内容上是细胞膜电位的高潮和下落。从生物角度来看，神经元膜电位的变化由两种离子通说念参与——钠离子（Na+）通说念和钾离子（K+）通说念。

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它们的责任经过是这么的——当钠离子通说念盛开时，膜外钠离子（Na+）内流参加细胞，从而导致膜电位升高，这被称为去极化经过；在膜电位达到一定进程后，叠加极化经过初始，钠离子（Na+）通说念关闭，钾离子（K+）通说念盛开，允许钾离子（K+）外流离开细胞，从而使膜电位裁汰。

神经元的能源学更复杂，要对其进行模拟时常需要多个电子元件组合成电路。为了让东说念主工神经元器件既能能源学功能丰富，硬件又鼓胀精简化，需要寻找新的材料来末端。

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最终，碲这种新式半导体材料脱颖而出。它具有低熔点、低热导率和电化学活性等详细物感性质，很难在其他材料中找到这种组合性质。

这些性质使得碲导电通说念结构能够在电流的电场作用下滋长出来，裁汰器件电阻，这不错与钠离子（Na+）的内流去极化经过对应；随之而来的电流焦耳热则会熔断碲导电通说念，使器件电阻复原，这与钾离子（K+）的外流重极化经过对应。

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在此基础上，清华大学类脑计较考虑中心团队研制的碲半导体单器件，末端了对神经元阈上放电和阈下摇荡的全功能模拟。

与神经元和神经突触比较较，神经树突当作典型的生物神经鸠合特征结构，曾被类比为简单的导线。但越来越多的考虑标明，神经树突具备艰难的神经计较功能，不仅实践被迫计较，以致还能主动“放电”，这约略是东说念主脑通用智能信息处理能力的要津开头之一，是赋能类脑计较的艰难灵感开头。

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神经树突的主动放电能源学行动也源于丰富的离子通说念。其以钙离子（Ca2+）为介导，放电握续时候更长，产生的影响或更为权贵，况兼其激活函数也不错呈现关于输入刺激强度的非单调反映。这使得单个树突就能贬责更具挑战性的非线性分类问题。

为了模拟神经树突，清华大学类脑计较考虑中心团队选拔了一种新式的晶体管结构，即基于pn异质结半导体沟说念的晶体管，取代了传统的均质或同质半导体沟说念，讹诈这种荒芜晶体管结构中生命交关的“反双极性”的调动特色，模拟了钙离子（Ca2+）介导的非单调激活和树突放电，进一步丰富了晶体管的神经形态功能。

时于本日，尽管在模拟东说念主脑神经计较方面一经获得一些弘扬，但大脑当作东说念主类机灵的聚首，是已知的天地当中最复杂的家具，对大脑的考虑也被称作是当然科学的“终极疆土”。类脑计较当作师法神经生理学和生理式样学机制，以计较建模为妙技并通过软硬件协同末端的机器智能计较，距离末端东说念主类打造像东说念主脑相通的“机器脑”这么的梦思，还有充满挑战的路要走。

（作家：李黄龙，系清华大学精密仪器系、清华大学类脑计较考虑中心长聘副训诫）