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)的一個團隊已經(jīng)證明，神經(jīng)形態(tài)行為可以在標(biāo)準(zhǔn)單個晶體管中實現(xiàn)。該團隊發(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） 的硬件實現(xiàn)（其中最先進的由數(shù)億個電子突觸互連的數(shù)百萬個電子神經(jīng)元組成）在一些小規(guī)模數(shù)據(jù)密集型計算任務(wù)中實現(xiàn)了比傳統(tǒng)計算機更高的能效。最先進的神經(jīng)形態(tài)計算芯片，例如 Intel 的 Loihi2或 IBM 的 NorthPole3，使用由互補金屬氧化物半導(dǎo)體 （CMOS） 晶體管制成的仿生神經(jīng)元和突觸模擬電路實現(xiàn) ANN，每個神經(jīng)元至少 18 個晶體管，每個突觸至少 6 個晶體管。簡化這兩個構(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 CMOS 晶體管可以表現(xiàn)出神經(jīng)和突觸行為。通過串聯(lián)一個額外的 CMOS 晶體管，該研究團隊成功構(gòu)建了一個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)（該團隊將其命名為神經(jīng)突觸隨機存取存儲單元或 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)計和優(yōu)化方面的機遇。

Mario Lanza 教授的團隊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電荷一段合理的時間，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)元或突觸運行取決于選擇體端子的適當(dāng)電阻。沖擊電離曾被認為是硅晶體管中的一種失效機制，但 Lanza 教授的團隊已成為人工智能的潛在有價值的應(yīng)用。

據(jù)了解，Mario Lanza 教授的團隊在 180nm CMOS 上實現(xiàn)了單晶體管和雙晶體管神經(jīng)形態(tài)。