[技術(shù)前沿]研究人員用納米枝晶模擬大腦結(jié)構(gòu)
到現(xiàn)在為止，神經(jīng)形態(tài)計算在試圖模擬大腦中神經(jīng)元之間的突觸。但一種新的方法旨在像樹突一樣發(fā)揮作用，樹突是從神經(jīng)元的細胞核中分支出來的細長結(jié)構(gòu)，就像樹根一樣。樹突順利獲得突觸接收來自其他神經(jīng)元的信號，將信號從頂端傳遞到腦干再傳遞到細胞核。斯坦福大學(xué)的一組研究人員表示，在計算領(lǐng)域，“納米枝晶”也可以發(fā)揮類似的作用。
研究人員與半導(dǎo)體制造商GlobalFoundries合作，在近期舉行的2023年IEEE國際電子器件會議（IEDM，http://www.ieee-iedm.org/）上提出了一種這樣的納米枝晶。該器件是一種經(jīng)過改進的晶體管，充當(dāng)檢測微秒長電壓脈沖序列的開關(guān)。只有當(dāng)脈沖以正確的順序到達時，它才會打開，從而允許電流順利獲得。斯坦福大學(xué)生物工程教授Kwabena Boahen表示，這種方法可以在人工智能將越來越依賴的3D芯片中實現(xiàn)高效的并行處理。順利獲得模擬大腦的樹突，這些芯片將消耗更少的能量，更重要的是，產(chǎn)生更少的熱量。
IEEE Fellow，也是斯坦福大學(xué)的電氣工程教授，電氣工程師H.-s.Philip Wong表示，在當(dāng)今的3D芯片技術(shù)中，熱量是一個“根本問題”， 產(chǎn)生的熱量與體積成比例增長，但芯片的散熱速度與表面積成比例。這就是為什么，現(xiàn)在，“所有的計算進步都受到散熱的限制，”Wong說。
Wong建議，這個問題可以順利獲得納米枝晶方法來解決，因為它使用離散脈沖中的電壓。因此，它在任何給定時刻能夠激活更少的電線，從而產(chǎn)生更少的熱量。
典型的場效應(yīng)晶體管由三個端子組成：源極、柵極和漏極。為了使電荷從源極移動到漏極，向柵極施加電壓，從而改變硅的電場和導(dǎo)電性。斯坦福器件保持了相同的基本元件，但它將晶體管的柵極分為三部分。它還在多部分柵極中嵌入了一層鐵電材料，當(dāng)施加電場時，極化發(fā)生切換。
為了使電荷順利獲得晶體管的溝道，必須以正確的順序輸送一系列電壓脈沖，從最靠近源的部分開始。在第一柵極部分接收到脈沖之后，電荷載流子從源極流到此部分，并且其極化翻轉(zhuǎn)。下一個脈沖在中間部分做同樣的事情，從第一部分引出充電器載波。然后第三部分接收脈沖，完成傳導(dǎo)通道。
但如果脈沖不按順序排列，這種情況就不會發(fā)生。例如，如果先將脈沖發(fā)送到柵極的中間部分，然后是最靠近源極的部分，則中間部分將無法從其相鄰部分提取電荷載流子。它的極化將保持不變，阻礙導(dǎo)電通道的形成。
由于這種類型的計算依賴于與時間相關(guān)的脈沖序列，“ ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 需要一種能夠記住脈沖序列的設(shè)備，”Wong說。這就是為什么他和Boahen基于鐵電晶體管進行設(shè)計的原因，鐵電晶體管此前曾被認為是在神經(jīng)形態(tài)芯片中結(jié)合記憶和邏輯的一種方式。鐵電材料在其極化中給予存儲器，當(dāng)柵極接收到電壓脈沖時，該極化翻轉(zhuǎn)；Wong指導(dǎo)的博士生Hugo Chen近期在IEDM上發(fā)表了這篇論文，他解釋道，然后它會保持這種極化，直到它接收到另一個脈沖。
雖然現(xiàn)在的設(shè)備版本包括一個三部分門——樹枝狀結(jié)構(gòu)的最簡單版本——但斯坦福大學(xué)團隊的目標是在未來引入進一步的細分。Chen指出，增加更多的柵極分區(qū)會增加電阻，盡管這不太可能是一個問題，因為這些設(shè)備的構(gòu)建將實現(xiàn)并行處理。
構(gòu)建3D設(shè)備也需要新的流程。例如，這些芯片需要在低溫下制造，Wong還補充道，“如何在3D中構(gòu)建這樣的系統(tǒng)仍然是一個相關(guān)的研究問題?！?/p>
文章來源：IEEE電氣電子工程師
關(guān)注微博
關(guān)注微信
關(guān)注公眾號
關(guān)注抖音號