歷史上的8月3日發生的大事件

世界首個人造神經元誕生

2016年8月3日(農曆2016年7月1日),IBM發明世界首個人造神經元人工智慧基石已完成。圖片來源:IBM編者按:從AlphaGo擊敗李世石,宣佈超級計算機攻克了圍棋這一窮舉法不可能征服的領域後,人工智慧(AI)又成了所有人最熱門的話題之一。對於不少該領域的科學家而言,人工智慧的終極目標之一就是用機器實現人腦的全部功能,而作為人腦的最小細胞單位——神經元,可能會是一個最好的入手點。美國當地時間2016年8月3日,IBM官方宣佈了他們的最新成果——首個人造神經元,可用於製造高密度、低功耗的認知學習晶片。IBM蘇黎世研究中心製成了世界上第一個人造奈米尺度隨機相變神經元。IBM已經構建了由500個該神經元組成的陣列,並讓該陣列以模擬人類大腦的工作方式進行訊號處理。該技術突破具有重要意義,因為相變神經元具有傳統材料製成的神經元無法匹敵的特性——其尺寸能小到奈米量級。此外,它的訊號傳輸速度很快,功耗很低。更重要的是,相變神經元是隨機的,這意味著在相同的輸入訊號下,多個相變神經元的輸出會有輕微的不同,而這正是生物神經元的特性。人造神經元論文的第一作者:托馬斯·圖瑪(TomasTuma)IBM相變神經元由輸入端(類似生物神經元的樹突)、神經薄膜(類似生物神經元的雙分子層)、訊號發生器(類似生物神經元的神經細胞主體)和輸出端(類似生物神經元的軸突)組成。訊號發生器和輸入端之間還有反饋迴路以增強某些型別的輸入訊號。人造神經元研發團隊,圖片來源:IBM神經薄膜是整個神經元的關鍵。在生物神經細胞中,起神經薄膜作用的是一層液態薄膜,它的物理機理類似於電阻和電容:它阻止電流直接透過,但同時又在吸收能量。當能量吸收到一定程度,它就向外發射自己產生的訊號。這訊號沿著軸突傳導,被其他神經元接收。然後再重複這一過程。在IBM製造的神經元中,液態薄膜被一小片神經薄膜取代。神經薄膜是由鍺銻碲複合材料(也稱GST材料)製成的,該材料也是可重寫藍光光碟的主要功能材料。鍺銻碲複合材料是一種相變材料,即它可以以兩種狀態存在:晶體態和無定形態。透過鐳射或電流提供能量,兩種狀態之間可以互相轉變。在不同狀態下,相變材料的物理特性截然不同:鍺銻碲複合材料在無定形態下不導電,而在晶體態下導電。在人工神經元中,鍺銻碲薄膜起初是無定形態的。隨著訊號的到達,薄膜逐漸變成結晶態,即逐漸變得導電。最終,電流透過薄膜,製造一個訊號,並透過該神經元的輸出端發射出去。在一定的時間後,鍺銻碲薄膜恢復為無定形態。這個過程週而復始。生物神經元與人造神經元對比圖,圖片來源:IBM由於生物體內各種噪聲的存在,生物神經元是隨機的(Stochastic)。IBM研究人員表示,人工神經元同樣表現出了隨機特性,因為神經元的薄膜在每次復位後,其狀態有輕微的不同,因此隨後的晶態化過程略有不同。因此,科學家無法確切地知道每次人工神經元會發射什麼訊號。那麼人工神經元到底有何意義?首先,人工神經元採用了成熟的材料,歷經幾十億次工作而不損壞(壽命長),體積極小(有報道說是90奈米,但從下圖中看應該在300奈米左右,而論文中表示未來有望達到14奈米)。因此,這是一種效能非常棒的器件。人工神經元網路。圖中的銀色方塊是放大後的相變神經元,該神經元網路還沒有配備工業標準的輸入輸出介面。圖片來源:IBM其次,人工神經元跟生物神經元的工作方式非常類似。當大批人工神經元組成平行計算機後,它也許可以和人類一樣進行決策和處理感官資訊。IBM表示,他們的人工神經元技術和目前發展中的另外一種人工神經元器件——憶阻器互為補充。目前,IBM製造了10乘10的神經元陣列,將5個小陣列組合成一個500神經元的大陣列,該陣列可以用類似人類大腦的工作方式進行訊號處理。事實上,人工神經元已經表現出和人類神經元一樣的“集體編碼”特性。此外,它的訊號處理能力已經超過了奈奎斯特-夏農取樣定理規定的極限。編者注:集體編碼:每個神經元有2種狀態,可以表示1位元資訊,那麼N個神經元就可以表示2N位元資訊。神經元數量足夠多時,能表示的資訊量將極其驚人。IBM研究人員計劃構建包含幾千個相變神經元的單一晶片,並編寫能充分利用相變神經元晶片隨機特性的軟體。