對于不少該領(lǐng)域的科學(xué)家而言，人工智能的終極目標(biāo)之一就是用機(jī)器實(shí)現(xiàn)人腦的全部功能，而作為人腦的最小細(xì)胞單位——神經(jīng)元,，可能會是一個最好的入手點(diǎn)。

　　美國當(dāng)?shù)貢r間8月3日,，IBM官方宣布了他們的最新成果——首個人造神經(jīng)元，可用于制造高密度、低功耗的認(rèn)知學(xué)習(xí)芯片。

　　IBM蘇黎世研究中心制成了世界上第一個人造納米尺度隨機(jī)相變神經(jīng)元,。IBM已經(jīng)構(gòu)建了由500個該神經(jīng)元組成的陣列，并讓該陣列以模擬人類大腦的工作方式進(jìn)行信號處理,。

　　該技術(shù)突破具有重要意義,，因?yàn)橄嘧兩窠?jīng)元具有傳統(tǒng)材料制成的神經(jīng)元無法匹敵的特性——其尺寸能小到納米量級。此外,，它的信號傳輸速度很快，功耗很低,。更重要的是,，相變神經(jīng)元是隨機(jī)的，這意味著在相同的輸入信號下，多個相變神經(jīng)元的輸出會有輕微的不同,，而這正是生物神經(jīng)元的特性,。

　　人造神經(jīng)元論文的第一作者：托馬斯·圖瑪（Tomas Tuma）

　　IBM相變神經(jīng)元由輸入端（類似生物神經(jīng)元的樹突）、神經(jīng)薄膜（類似生物神經(jīng)元的雙分子層）,、信號發(fā)生器（類似生物神經(jīng)元的神經(jīng)細(xì)胞主體）和輸出端（類似生物神經(jīng)元的軸突）組成,。信號發(fā)生器和輸入端之間還有反饋回路以增強(qiáng)某些類型的輸入信號。

　　人造神經(jīng)元研發(fā)團(tuán)隊(duì),，圖片來源：IBM

　　神經(jīng)薄膜是整個神經(jīng)元的關(guān)鍵,。在生物神經(jīng)細(xì)胞中，起神經(jīng)薄膜作用的是一層液態(tài)薄膜,，它的物理機(jī)理類似于電阻和電容：它阻止電流直接通過,，但同時又在吸收能量。當(dāng)能量吸收到一定程度,，它就向外發(fā)射自己產(chǎn)生的信號,。這信號沿著軸突傳導(dǎo)，被其他神經(jīng)元接收,。然后再重復(fù)這一過程,。

　　在IBM制造的神經(jīng)元中，液態(tài)薄膜被一小片神經(jīng)薄膜取代,。神經(jīng)薄膜是由鍺銻碲復(fù)合材料（也稱GST材料）制成的,，該材料也是可重寫藍(lán)光光盤的主要功能材料。鍺銻碲復(fù)合材料是一種相變材料,，即它可以以兩種狀態(tài)存在：晶體態(tài)和無定形態(tài),。通過激光或電流提供能量，兩種狀態(tài)之間可以互相轉(zhuǎn)變,。在不同狀態(tài)下,，相變材料的物理特性截然不同：鍺銻碲復(fù)合材料在無定形態(tài)下不導(dǎo)電，而在晶體態(tài)下導(dǎo)電,。

　　在人工神經(jīng)元中,，鍺銻碲薄膜起初是無定形態(tài)的。隨著信號的到達(dá),，薄膜逐漸變成結(jié)晶態(tài),，即逐漸變得導(dǎo)電。最終,，電流通過薄膜,，制造一個信號，并通過該神經(jīng)元的輸出端發(fā)射出去,。在一定的時間后,，鍺銻碲薄膜恢復(fù)為無定形態(tài),。這個過程周而復(fù)始。

　　生物神經(jīng)元與人造神經(jīng)元對比圖,，圖片來源：IBM

　　由于生物體內(nèi)各種噪聲的存在,，生物神經(jīng)元是隨機(jī)的（StochasTIc）。IBM研究人員表示,，人工神經(jīng)元同樣表現(xiàn)出了隨機(jī)特性,，因?yàn)樯窠?jīng)元的薄膜在每次復(fù)位后，其狀態(tài)有輕微的不同,，因此隨后的晶態(tài)化過程略有不同,。因此，科學(xué)家無法確切地知道每次人工神經(jīng)元會發(fā)射什么信號,。

　　那么人工神經(jīng)元到底有何意義,？

　　首先，人工神經(jīng)元采用了成熟的材料,，歷經(jīng)幾十億次工作而不損壞（壽命長）,，體積極小（有報道說是90納米,，但從下圖中看應(yīng)該在300納米左右,，而論文中表示未來有望達(dá)到14納米）。因此,，這是一種性能非常棒的器件,。

　　人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)。圖中的銀色方塊是放大后的相變神經(jīng)元,，該神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)還沒有配備工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的輸入輸出接口,。圖片來源：IBM

　　其次，人工神經(jīng)元跟生物神經(jīng)元的工作方式非常類似,。當(dāng)大批人工神經(jīng)元組成并行計(jì)算機(jī)后,，它也許可以和人類一樣進(jìn)行決策和處理感官信息。IBM表示,，他們的人工神經(jīng)元技術(shù)和目前發(fā)展中的另外一種人工神經(jīng)元器件——憶阻器互為補(bǔ)充,。

　　目前，IBM制造了10乘10的神經(jīng)元陣列,，將5個小陣列組合成一個500神經(jīng)元的大陣列,，該陣列可以用類似人類大腦的工作方式進(jìn)行信號處理。事實(shí)上,，人工神經(jīng)元已經(jīng)表現(xiàn)出和人類神經(jīng)元一樣的“集體編碼”特性,。此外，它的信號處理能力已經(jīng)超過了奈奎斯特-香農(nóng)采樣定理規(guī)定的極限,。

　　編者注：集體編碼：每個神經(jīng)元有2種狀態(tài),，可以表示1比特信息,，那么N個神經(jīng)元就可以表示2N比特信息,。神經(jīng)元數(shù)量足夠多時,，能表示的信息量將極其驚人。

　　IBM研究人員計(jì)劃構(gòu)建包含幾千個相變神經(jīng)元的單一芯片,，并編寫能充分利用相變神經(jīng)元芯片隨機(jī)特性的軟件,。