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編者按
人腦在有限尺寸和極低能耗下，能夠完成復(fù)雜環(huán)境中的信息關(guān)聯(lián)記憶、快速識(shí)別和自主學(xué)習(xí)等認(rèn)知任務(wù)。隨著芯片換代速度放緩、算力供不應(yīng)求等挑戰(zhàn)出現(xiàn)，面向未來(lái)，現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的計(jì)算方式已難以為繼。如何推動(dòng)信息處理技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，打造像人腦一樣的“機(jī)器腦”？實(shí)現(xiàn)類(lèi)腦計(jì)算是破局的方向。要想實(shí)現(xiàn)類(lèi)腦計(jì)算，就需要尋找更多模擬人腦功能的神經(jīng)形態(tài)器件。
借鑒人腦，讓計(jì)算更高效、更具仿生性、更低能耗
電子計(jì)算機(jī)的發(fā)明將人類(lèi)文明帶入了一場(chǎng)數(shù)字化科技革命。在短短幾十年中，計(jì)算機(jī)的算力從每秒幾百次運(yùn)算到每秒百億億次運(yùn)算，增長(zhǎng)了1016倍，創(chuàng)造了幾千年人類(lèi)文明史上最高的人造增長(zhǎng)速度。計(jì)算機(jī)算力的提升得益于底層半導(dǎo)體器件（硅基晶體管）的集成密度提升。按照摩爾定律，單芯片上晶體管的數(shù)量每18至24個(gè)月翻一番。
在過(guò)去的半個(gè)多世紀(jì)，集成電路產(chǎn)業(yè)一直在摩爾定律的引導(dǎo)下發(fā)展。然而擺在現(xiàn)實(shí)面前的是，隨著摩爾定律不斷逼近極限，單個(gè)硅基芯片能夠承載的晶體管日漸飽和。硅原子的大小約0.12納米，照此大小推算，當(dāng)芯片工藝達(dá)到1納米,就只有對(duì)幾個(gè)硅原子進(jìn)行操縱的空間了。
事實(shí)上，在芯片工藝發(fā)展到10納米水平后，能明顯感受到換代速度放緩、成本攀升等問(wèn)題。而另一方面，隨著人工智能大模型浪潮席卷全球，對(duì)計(jì)算機(jī)算力的需求激增到了每2到3個(gè)月就要翻一番的程度，遠(yuǎn)超摩爾定律下的增長(zhǎng)速度。
面對(duì)芯片換代速度放緩、算力供不應(yīng)求等挑戰(zhàn)，數(shù)字計(jì)算機(jī)的計(jì)算方式已經(jīng)難以為繼，如何推動(dòng)信息處理技術(shù)進(jìn)一步向前發(fā)展，成為學(xué)界與社會(huì)各行各業(yè)共同面臨的難題。面對(duì)這一巨大困局，能夠提供更高效、更具仿生性、更低能耗算力的類(lèi)腦計(jì)算，成為破局的關(guān)鍵。
類(lèi)腦計(jì)算是“國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖（ITRS/IRDS）”中的一個(gè)重要研究方向，旨在借鑒人腦的基本原理，實(shí)現(xiàn)人工通用智能（也稱(chēng)為類(lèi)腦通用智能）。在2021年啟動(dòng)的“中國(guó)腦計(jì)劃”中，類(lèi)腦計(jì)算是一個(gè)重要組成部分。
與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)不同的是，人腦在有限尺寸和極低能耗下，能夠完成復(fù)雜環(huán)境中的信息關(guān)聯(lián)記憶、快速識(shí)別和自主學(xué)習(xí)等認(rèn)知任務(wù)。這與人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本組成和結(jié)構(gòu)密切相關(guān)：人腦中有860億個(gè)神經(jīng)元，相當(dāng)于銀河系天體的數(shù)量，并通過(guò)150萬(wàn)億個(gè)神經(jīng)突觸互聯(lián)構(gòu)成了空間復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；同時(shí)人腦的神經(jīng)樹(shù)突等組織進(jìn)一步使神經(jīng)計(jì)算功能復(fù)雜化。
人腦的這些神經(jīng)組織包含了多樣化的離子通道，具備非常豐富的動(dòng)力學(xué)行為，特征時(shí)間尺度也跨越幾個(gè)數(shù)量級(jí)，這是人腦智能的物理基礎(chǔ)。相對(duì)應(yīng)的，計(jì)算機(jī)基本的組成單元是電子晶體管，其工作在準(zhǔn)靜態(tài)的0和1編碼狀態(tài)下，與人腦的豐富動(dòng)力學(xué)相距甚遠(yuǎn)。
因此，類(lèi)腦計(jì)算的實(shí)現(xiàn)，其中一個(gè)關(guān)鍵就是發(fā)現(xiàn)神經(jīng)形態(tài)器件。它們可以模擬人腦中神經(jīng)元、神經(jīng)突觸、神經(jīng)樹(shù)突的功能，具有更貼近神經(jīng)組織行為的物理機(jī)制，從而可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)電子晶體管所不能實(shí)現(xiàn)的諸多類(lèi)神經(jīng)功能。
基于神經(jīng)形態(tài)器件的類(lèi)腦計(jì)算快速發(fā)展
神經(jīng)科學(xué)的研究發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)元之間的神經(jīng)突觸連接強(qiáng)度的可調(diào)性，是大腦學(xué)習(xí)和記憶功能的基礎(chǔ)之一。由過(guò)往經(jīng)歷引起的神經(jīng)突觸連接強(qiáng)度改變，可以對(duì)大腦的功能產(chǎn)生影響。
神經(jīng)突觸連接強(qiáng)度改變，也叫神經(jīng)突觸可塑性，可以增強(qiáng)或抑制神經(jīng)元的活動(dòng)，而且其持續(xù)的時(shí)間可從幾毫秒到幾小時(shí)、幾天甚至更長(zhǎng)時(shí)間，跨度很大。
如果能借鑒神經(jīng)突觸可塑性原理，用某種手段來(lái)模仿和實(shí)現(xiàn)，構(gòu)建類(lèi)似于神經(jīng)突觸的人工突觸，再進(jìn)一步構(gòu)建出系統(tǒng)，就可以更好地理解和模擬大腦的工作方式，進(jìn)一步推動(dòng)信息學(xué)和神經(jīng)科學(xué)的交叉發(fā)展，實(shí)現(xiàn)類(lèi)腦計(jì)算。
早在1971年，科學(xué)家蔡少棠就曾啟發(fā)式地推理預(yù)言了一種新型器件——憶阻器。根據(jù)預(yù)言，憶阻器的電阻值取決于所施加的電壓/電流激勵(lì)歷史，因此具有類(lèi)神經(jīng)記憶特性。
在這一預(yù)言過(guò)去37年后，惠普實(shí)驗(yàn)室宣布憶阻現(xiàn)象在新型微納半導(dǎo)體器件中被觀(guān)測(cè)到。此后，憶阻器件和神經(jīng)形態(tài)器件幾乎成了兩個(gè)可以互換的概念，基于神經(jīng)形態(tài)器件的類(lèi)腦計(jì)算也進(jìn)入了快速發(fā)展的階段。
憶阻器作為一種有潛力的電路元件，除了生物相似性之外，在可微縮能力、存儲(chǔ)密度和功耗等方面也要優(yōu)于傳統(tǒng)的晶體管器件。
近年來(lái)，在材料技術(shù)和功能方面，神經(jīng)形態(tài)器件都取得重要進(jìn)展。在材料技術(shù)方面，研究人員廣泛應(yīng)用各種材料——無(wú)機(jī)物、有機(jī)物、量子材料、鐵電材料、鐵磁材料、三維體材料和二維材料等，它們展現(xiàn)出各自獨(dú)特的神經(jīng)形態(tài)特性，為憶阻器的發(fā)展提供了多樣性和靈活性。將傳統(tǒng)晶體管和憶阻器進(jìn)行混合的神經(jīng)形態(tài)集成電路研究也取得了顯著進(jìn)展，加速了憶阻器的應(yīng)用推廣。在功能方面，憶阻器不僅能夠模擬神經(jīng)突觸的可塑性功能，還可以模擬神經(jīng)元的某些功能，這為實(shí)現(xiàn)全憶阻器的神經(jīng)形態(tài)電路創(chuàng)造了可能性。
利用晶體管“非理想”物理機(jī)制，模擬人腦記憶功能
然而，神經(jīng)形態(tài)器件發(fā)展到這個(gè)階段，面臨著新的挑戰(zhàn)。其中一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是仿生動(dòng)力學(xué)功能不足，難以滿(mǎn)足類(lèi)腦計(jì)算對(duì)豐富神經(jīng)形態(tài)動(dòng)力學(xué)的要求。
正如前面所提到的，人腦的豐富動(dòng)力學(xué)行為與神經(jīng)組織中多樣化的離子通道結(jié)構(gòu)和機(jī)理是密切相關(guān)的。但是目前主流的神經(jīng)形態(tài)器件通常是為模擬某一種特定的神經(jīng)行為來(lái)定制，采用特定的單一物理機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)。
如果需要實(shí)現(xiàn)豐富的仿生動(dòng)力學(xué)功能，就需要發(fā)展全功能的動(dòng)力學(xué)神經(jīng)形態(tài)器件。不過(guò)，通常來(lái)講，功能越全面就需要更大尺寸的硬件，這與當(dāng)前芯片的小型化相矛盾。要解決這個(gè)問(wèn)題，就需要探索新型的器件原理和新的半導(dǎo)體材料。
前面提到，神經(jīng)突觸可塑性的一大特征是動(dòng)力學(xué)時(shí)間尺度跨越幾個(gè)數(shù)量級(jí)，這是人類(lèi)認(rèn)知和記憶功能的一個(gè)基礎(chǔ)。事實(shí)上，我們每個(gè)人都能感受得到這種動(dòng)力學(xué)的存在——有時(shí)候一件事情讓人終生難忘；而有時(shí)候上一秒的事情，下一秒就忘了。這就是長(zhǎng)期記憶和短期記憶兩種時(shí)間尺度不一樣的動(dòng)力學(xué)行為，它們的共存幫助我們保留重要的信息，同時(shí)過(guò)濾掉不重要的信息，給大腦減負(fù)。但是現(xiàn)有的單器件人工突觸，只能對(duì)長(zhǎng)期可塑性或短期可塑性進(jìn)行選擇性的模擬，不能集成模擬。
基于這些神經(jīng)突觸原理，對(duì)人工突觸器件和生物突觸進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)，它們之間有一個(gè)巨大的區(qū)別——前者利用相同的物理機(jī)制模擬兩種功能，而后者分別利用來(lái)自突觸后膜和前膜不同的鈣離子通道機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)。
受此啟發(fā)，清華大學(xué)類(lèi)腦研究中心的研究團(tuán)隊(duì)將目光移回到晶體管上。作為計(jì)算機(jī)芯片的基本元器件，晶體管器件中實(shí)際蘊(yùn)含了兩種物理機(jī)制——“場(chǎng)效應(yīng)”機(jī)制和“憶阻”機(jī)制?！皥?chǎng)效應(yīng)”機(jī)制讓晶體管在0和1狀態(tài)間切換，但沒(méi)有持續(xù)供電的話(huà)，狀態(tài)就會(huì)很快消失，從節(jié)能的角度來(lái)說(shuō)不盡如人意?！皯涀琛睓C(jī)制會(huì)讓0、1狀態(tài)混淆，這在以往被視為不利影響，所以在制造計(jì)算機(jī)芯片時(shí)一定要防止“憶阻”機(jī)制的顯現(xiàn)。但“憶阻”機(jī)制還有一個(gè)特性——在斷電后依然能持久地存在。
這兩種對(duì)于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)芯片來(lái)說(shuō)不夠完美，甚至不利的物理機(jī)制，不正是類(lèi)腦計(jì)算中模擬突觸長(zhǎng)、短期可塑性功能所需要的嗎？
至此，答案呼之欲出。通過(guò)對(duì)這兩種機(jī)制的“反向”利用，清華大學(xué)類(lèi)腦計(jì)算研究中心團(tuán)隊(duì)提出的動(dòng)力學(xué)神經(jīng)形態(tài)晶體管技術(shù)，使得長(zhǎng)、短期記憶動(dòng)力學(xué)功能可以在單個(gè)器件中集成地模擬，解決了類(lèi)腦科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)難題。
尋找更多能模擬人腦神經(jīng)計(jì)算的半導(dǎo)體器件
神經(jīng)元是另一種基本神經(jīng)計(jì)算單元，其閾上的放電和閾下的振蕩參與了幾乎所有的認(rèn)知功能環(huán)節(jié)，本質(zhì)上是細(xì)胞膜電位的上升和下降。從生物角度來(lái)看，神經(jīng)元膜電位的變化由兩種離子通道參與——鈉離子（Na+）通道和鉀離子（K+）通道。
它們的工作過(guò)程是這樣的——當(dāng)鈉離子通道打開(kāi)時(shí)，膜外鈉離子（Na+）內(nèi)流進(jìn)入細(xì)胞，從而導(dǎo)致膜電位升高，這被稱(chēng)為去極化過(guò)程；在膜電位達(dá)到一定程度后，重復(fù)極化過(guò)程開(kāi)始，鈉離子（Na+）通道關(guān)閉，鉀離子（K+）通道打開(kāi)，允許鉀離子（K+）外流離開(kāi)細(xì)胞，從而使膜電位降低。
神經(jīng)元的動(dòng)力學(xué)更復(fù)雜，要對(duì)其進(jìn)行模擬往往需要多個(gè)電子元件組合成電路。為了讓人工神經(jīng)元器件既能動(dòng)力學(xué)功能豐富，硬件又足夠精簡(jiǎn)化，需要尋找新的材料來(lái)實(shí)現(xiàn)。
最終，碲這種新型半導(dǎo)體材料脫穎而出。它具有低熔點(diǎn)、低熱導(dǎo)率和電化學(xué)活性等綜合物理性質(zhì)，很難在其他材料中找到這種組合性質(zhì)。
這些性質(zhì)使得碲導(dǎo)電通道結(jié)構(gòu)能夠在電流的電場(chǎng)作用下生長(zhǎng)出來(lái)，降低器件電阻，這可以與鈉離子（Na+）的內(nèi)流去極化過(guò)程對(duì)應(yīng)；隨之而來(lái)的電流焦耳熱則會(huì)熔斷碲導(dǎo)電通道，使器件電阻恢復(fù)，這與鉀離子（K+）的外流重極化過(guò)程對(duì)應(yīng)。
在此基礎(chǔ)上，清華大學(xué)類(lèi)腦計(jì)算研究中心團(tuán)隊(duì)研制的碲半導(dǎo)體單器件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)神經(jīng)元閾上放電和閾下振蕩的全功能模擬。
與神經(jīng)元和神經(jīng)突觸相比較，神經(jīng)樹(shù)突作為典型的生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)特征結(jié)構(gòu)，曾被類(lèi)比為簡(jiǎn)單的導(dǎo)線(xiàn)。但越來(lái)越多的研究表明，神經(jīng)樹(shù)突具備重要的神經(jīng)計(jì)算功能，不僅執(zhí)行被動(dòng)計(jì)算，甚至還能主動(dòng)“放電”，這或許是人腦通用智能信息處理能力的關(guān)鍵來(lái)源之一，是賦能類(lèi)腦計(jì)算的重要靈感來(lái)源。
神經(jīng)樹(shù)突的主動(dòng)放電動(dòng)力學(xué)行為也源于豐富的離子通道。其以鈣離子（Ca2+）為介導(dǎo)，放電持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，產(chǎn)生的影響或更為顯著，并且其激活函數(shù)也可以呈現(xiàn)對(duì)于輸入刺激強(qiáng)度的非單調(diào)響應(yīng)。這使得單個(gè)樹(shù)突就能解決更具挑戰(zhàn)性的非線(xiàn)性分類(lèi)問(wèn)題。
為了模擬神經(jīng)樹(shù)突，清華大學(xué)類(lèi)腦計(jì)算研究中心團(tuán)隊(duì)采用了一種新型的晶體管結(jié)構(gòu)，即基于pn異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體溝道的晶體管，取代了傳統(tǒng)的均質(zhì)或同質(zhì)半導(dǎo)體溝道，利用這種特殊晶體管結(jié)構(gòu)中非同尋常的“反雙極性”的轉(zhuǎn)移特性，模擬了鈣離子（Ca2+）介導(dǎo)的非單調(diào)激活和樹(shù)突放電，進(jìn)一步豐富了晶體管的神經(jīng)形態(tài)功能。
時(shí)至今日，盡管在模擬人腦神經(jīng)計(jì)算方面已經(jīng)取得一些進(jìn)展，但大腦作為人類(lèi)智慧的集結(jié)，是已知的宇宙當(dāng)中最復(fù)雜的產(chǎn)物，對(duì)大腦的研究也被稱(chēng)作是自然科學(xué)的“終極疆域”。類(lèi)腦計(jì)算作為模仿神經(jīng)生理學(xué)和生理心理學(xué)機(jī)制，以計(jì)算建模為手段并通過(guò)軟硬件協(xié)同實(shí)現(xiàn)的機(jī)器智能計(jì)算，距離實(shí)現(xiàn)人類(lèi)打造像人腦一樣的“機(jī)器腦”這樣的夢(mèng)想，還有充滿(mǎn)挑戰(zhàn)的路要走。
（作者：李黃龍，系清華大學(xué)精密儀器系、清華大學(xué)類(lèi)腦計(jì)算研究中心長(zhǎng)聘副教授）
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