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類腦芯片，到底該怎么做？

最近，三星聯合哈佛大學就提出了一種“簡單粗暴”的方法：

復制粘貼。

而且據介紹，這項研究是當前的技術無法企及的，因此最近還登上了Nature子刊。

具體而言，就是通過將大腦神經元連接圖，“復制粘貼”到固態存儲器的高密度3D存儲網絡上。

如此以來，就有望實現低功耗、易學習、適應環境，甚至是具備自主性和認知能力等特性的芯片。

那么他們為什么要做這樣一個研究？

三星表示，雖早就在上世紀80年代，神經擬態電子學就被提出，但由于模仿人腦實在是太難了。

所以一直以來，大家做的都簡化成了受大腦“啟發”的技術，而非嚴格模仿。

現在，他們回到了最初的愿景，即在硅集成電路上真正地模仿人腦神經元網絡的結構和功能。

如何“復制粘貼”？

為了實現這個目標，研究人員通過使用納米電極陣列和存儲芯片對神經元連接進行“復制、粘貼”。

此處的納米電極陣列采用的是此前該團隊在哈佛大學的研究成果：CMOS納米電極陣列（CMOS nanoelectrode array，CNEA）。

CMOS納米電極陣列將4096個電子通道集成在帶有4096個垂直納米電極的CMOS芯片中，以此連接細胞內的并行記錄（Parallelization of intracellular recording，神經科學的一個重要研究方向），可以映射神經元的功能性突觸連接。

下圖左為電鏡下CMOS納米電極陣列模仿的大鼠神經元；

右為通過計算機輔助分析程序從該CNEA上提取出的突觸連接圖。

“復制”或者說提取出來了神經元連接圖，接下來就是“粘貼”到存儲網絡中。

可以通過對每個記憶進行編程合成記憶網絡，使存儲器能通過電導（conductance）反應每個神經元連接的強度來實現。

或者也可以采用直接下載連接圖到存儲芯片上的方案：

用記錄的信號直接驅動一個N×N的存儲器交叉桿陣列，進行突觸連接圖的物理壓印（physical imprinting）。

“粘貼”這一步可搭載的存儲網絡包括閃存、磁性隨機存取存儲器（MRAM）、相變隨機存取存儲器（PRAM）和電阻式隨機存取存儲器（RRAM）。

以上就是該團隊“復制粘貼”方法的簡單介紹，感興趣的可以進一步查看論文。

為神經元連接研究提供了一種新的可能和方向

盡管這個方法還只是個理論，真正實現起來還有很多挑戰。

但這項研究是一項開創性的努力，為神經元連接研究提供了一種新的可能和方向，有著巨大的應用前景。

三星表示他們也在利用其在芯片制造方面的經驗，希望通過對神經擬態工程的研究，推動機器智能、神經科學和半導體技術的發展。

同時也毫不避諱地表示正在“野心勃勃”地爭取他們在下一代人工智能半導體領域的領先地位。

哦對了，回到這項研究本身，由于人類大腦中大約有1000億個神經元，以及大約一千倍的突觸連接，最終這樣的神經形態芯片將需要100萬億左右的內存。

不過通過存儲器的3D集成，在單個芯片上集成如此大規模的存儲器將成為可能。

而這個為存儲器行業開辟了一個新紀元的3D集成技術，也是由三星牽頭研發。

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