近日，新加坡國立大學(xué)的材料科學(xué)與工程系副教授 Mario Lanza 領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)證明，神經(jīng)形態(tài)行為可以在標(biāo)準(zhǔn)單個(gè)晶體管中實(shí)現(xiàn)。該團(tuán)隊(duì)發(fā)布的《標(biāo)準(zhǔn)硅晶體管中的突觸和神經(jīng)行為》的論文已于 3 月 26 日發(fā)表在科學(xué)雜志《自然》上。該論文的第一作者是來自阿卜杜拉國王科技大學(xué)的 Sebastián Pazos 博士。

據(jù)介紹，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) （ANN） 的硬件實(shí)現(xiàn)（其中最先進(jìn)的由數(shù)億個(gè)電子突觸互連的數(shù)百萬個(gè)電子神經(jīng)元組成）在一些小規(guī)模數(shù)據(jù)密集型計(jì)算任務(wù)中實(shí)現(xiàn)了比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更高的能效。最先進(jìn)的神經(jīng)形態(tài)計(jì)算芯片，例如 Intel 的 Loihi2或 IBM 的 NorthPole3，使用由互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 （CMOS） 晶體管制成的仿生神經(jīng)元和突觸模擬電路實(shí)現(xiàn) ANN，每個(gè)神經(jīng)元至少 18 個(gè)晶體管，每個(gè)突觸至少 6 個(gè)晶體管。簡化這兩個(gè)構(gòu)建塊的結(jié)構(gòu)和尺寸將有助于構(gòu)建更復(fù)雜、更大、更節(jié)能的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

新加坡國立大學(xué)研究 表明，如果以特定（非常規(guī)）方式偏置，單個(gè) CMOS 晶體管可以表現(xiàn)出神經(jīng)和突觸行為。通過串聯(lián)一個(gè)額外的 CMOS 晶體管，該研究團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建了一個(gè)多功能的晶體管單元，該單元表現(xiàn)出可調(diào)節(jié)的神經(jīng)突觸反應(yīng)（該團(tuán)隊(duì)將其命名為神經(jīng)突觸隨機(jī)存取存儲(chǔ)單元或 NS-RAM 單元），允許在神經(jīng)元或突觸作模式之間切換，這為制造提供了多功能性。由于所使用的硅 CMOS 平臺(tái)的成熟，這種電子性能具有 100% 的良率和超低的器件間可變性，不需要與 CMOS 工藝無關(guān)的材料或器件。這些結(jié)果代表了實(shí)現(xiàn)高效人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的短期解決方案，以及人工智能應(yīng)用的 CMOS 電路設(shè)計(jì)和優(yōu)化方面的機(jī)遇。

Mario Lanza 教授的團(tuán)隊(duì)使用的方法與將體硅電阻率設(shè)置為特定值有關(guān)，該值會(huì)激發(fā)一種稱為沖擊電離的物理現(xiàn)象，從而產(chǎn)生電流尖峰。因此，這種現(xiàn)象類似于神經(jīng)元和突觸的當(dāng)前尖峰特征。將體電阻率設(shè)置為其他特定值允許晶體管在柵極氧化層中存儲(chǔ)電荷一段合理的時(shí)間，以模仿生物突觸的行為。

因此，使標(biāo)準(zhǔn)硅晶體管作為神經(jīng)元或突觸運(yùn)行取決于選擇體端子的適當(dāng)電阻。沖擊電離曾被認(rèn)為是硅晶體管中的一種失效機(jī)制，但 Lanza 教授的團(tuán)隊(duì)已成為人工智能的潛在有價(jià)值的應(yīng)用。

據(jù)了解，Mario Lanza 教授的團(tuán)隊(duì)在 180nm CMOS 上實(shí)現(xiàn)了單晶體管和雙晶體管神經(jīng)形態(tài)。