拟用神经形态芯片,“复制粘贴”人脑

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人类的大脑包括不计其数的神经元,神经元之间有着复杂的网络连接,这个网络实现了大脑的功能。神经形态工程学(Neuromorphic engineering)是在 20 世纪 80 年代,由加州理工学院的卡弗·米德(Carver Mead)提出的与大脑网络连接密切相关的一门科学。

其一般采用模拟、数字或模/数混合的超大规模集成电路及其相关软件来模仿生物神经元、神经回路以至更大规模的神经组织架构,制造一个仿真人脑芯片或电路,用以构造低能耗、更接近于生物学真实性,实现神经组织相应功能的新器件。

近日,韩国三星电子的研发团队与哈佛大学共同利用最新的神经科学工具,一种名为 CMOS 纳米电极阵列(CNEA)的硅神经电子接口,“复制”哺乳动物神经元网络的功能性突触连接图,然后把这个图“粘贴”到高密度的 3D 固态存储网络中,从而开发出接近大脑独特计算特征的存储芯片

因为纳米电极阵列可以有效进入大量的神经元,所以它能够高灵敏度地记录电信号。这些大规模并行的细胞内记录为神经元的网络连接图提供了信息,表明了神经元相互连接的位置以及这些连接的强度。因而,从这些提示性的记录中,可以提取或“复制”神经元的网络连接图。

陈根:拟用神经形态芯片,“复制粘贴”人脑

然后,复制的神经元图可以被“粘贴”到非易失性存储器的网络中,例如日常生活中使用的固态硬盘(SSD)中的商用闪存,或者电阻式随机存取存储器(RRAM)。通过对每个存储器进行编程,使其电导率代表复制图中每个神经元连接的强度。

研究中,最新的 CNEA 将 4096 个电子通道集成在一个有 4096 个垂直纳米电极的 CMOS 芯片中,将细胞内并行记录连接起来,从而可以映射 NNN 的功能性突触连接。

在体外培养的大鼠皮层神经元网络的 19 分钟记录中,拥有 4096 个通道的 CNEA 测量了 1728 个电极的细胞内信号,可以说相比 10 个左右的片段记录实现了重大飞跃。这个数字还可以简单地进行增加,因为制造更大、更密集的 CNEA是 CMOS 技术的本质。

利用在芯片制造方面的先进经验,三星计划继续研究神经形态工程,以扩展三星在下一代人工智能半导体领域的研究,推动机器智能、神经科学和半导体技术的发展。

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