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光驅(qū)納米芯片問世:提高AI的決策效率和精準(zhǔn)度

璟琰乀 ? 來源:學(xué)術(shù)頭條 ? 作者:學(xué)術(shù)頭條 ? 2020-12-04 10:34 ? 次閱讀

近年來,隨著人工智能AI)應(yīng)用場景需求的不斷拓寬,人們對于AI的處理速度、能耗,以及系統(tǒng)、硬件尺寸大小的要求也越來越高。當(dāng)前,越來越多的科學(xué)家也開始從“類人腦”的角度出發(fā),致力于將 AI 推向另一個高點。

近日,來自澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)(RMIT University)的研究團(tuán)隊成功開發(fā)出一種 AI 技術(shù),該技術(shù)將成像、數(shù)據(jù)處理、機(jī)器學(xué)習(xí)和內(nèi)存部件全部集成在一個納米級電子芯片中,以模仿人腦處理視覺信息的方式,極大地提高了 AI 的決策效率和精準(zhǔn)度。

這項工作以“Fully Light‐Controlled Memory and Neuromorphic Computation in Layered Black Phosphorus”為題,在線發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊 Advanced Materials 之上。

論文作者之一、RMIT 電子和電信工程副教授 Sumeet Walia 表示,“通過將所有功能整合到一個芯片中,我們就可以為 AI 的自主決策提供前所未有的效率和速度。想象一下,如果將這種芯片集成到一個行車記錄儀中,那么它將無需連接互聯(lián)網(wǎng),就可以自主識別燈光、信號和物體,并做出即時決策?!?/p>

此外,該芯片發(fā)揮著類似于人腦的功能,可使得 AI 系統(tǒng)變得更加強(qiáng)大。未來,隨著技術(shù)的進(jìn)一步突破和發(fā)展,該芯片可以實現(xiàn)更智能、更小型的自主技術(shù),比如無人機(jī)機(jī)器人技術(shù),以及智能可穿戴設(shè)備和仿生植入物,例如人造視網(wǎng)膜。

多功能納米芯片

在人類的認(rèn)知學(xué)習(xí)過程中,視覺記憶往往是學(xué)習(xí)信息的核心來源。而 AI 系統(tǒng)的基礎(chǔ)之一,就是受人類認(rèn)知啟發(fā)的神經(jīng)形態(tài)視覺組件。要想在 AI 系統(tǒng)中部署高效的、類似于人腦的視覺系統(tǒng),就需要將內(nèi)置內(nèi)存和信號處理功能結(jié)合,最終實現(xiàn)單個成像單元。

然而,事實上基于視覺系統(tǒng)的 AI 技術(shù)卻一直未能實現(xiàn)突破。一方面,AI 系統(tǒng)的性能嚴(yán)重依賴于其內(nèi)部軟件的性能和異地數(shù)據(jù)處理的能力;另一方面,由于缺乏可以完全由光控制且不需要施加額外電信號的組件。

而在此次研究中,科研團(tuán)隊成功將具備不同功能的多個組件集成到一個納米級芯片中,在單個電子設(shè)備中結(jié)合驅(qū)動 AI 所需的核心軟件和負(fù)責(zé)圖像捕獲的硬件,并涵蓋成像(imaging)、數(shù)據(jù)處理(processing)、機(jī)器學(xué)習(xí)(machine learning)和內(nèi)存(memory)等方面,以進(jìn)行快速的現(xiàn)場決策。

不僅如此,新的內(nèi)置功能意味著這種芯片可以捕獲并自動增強(qiáng)圖像,還能對數(shù)字進(jìn)行分類。經(jīng)過實驗和訓(xùn)練后,已證實其準(zhǔn)確率超過90%。該設(shè)備與現(xiàn)有的電子技術(shù)和硅技術(shù)也很容易兼容,使得其在未來可以輕松集成到目標(biāo)器件之中。

圖 | 不同訓(xùn)練周期和不同脈沖下的圖像增強(qiáng)效果(來源:該研究論文)

論文作者之一 Taimur Ahmed 博士認(rèn)為,“通過將如此多的核心功能封裝到一個緊湊的納米級設(shè)備中,我們成功地拓寬了將機(jī)器學(xué)習(xí)和 AI 集成到較小應(yīng)用程序中的方向?!?/p>

新材料:超薄層狀黑磷

實際上,這一技術(shù)依賴的是一種由光驅(qū)動(light-powered)的、可以隨著光照變化而作出不同響應(yīng)的特殊芯片。這是一種全新的神經(jīng)形態(tài)成像元件,其表面覆蓋著一種二維超薄材料——層狀黑磷(Black Phosphorous,BP)。

二維層狀黑磷于上世紀(jì) 60 年代被發(fā)現(xiàn),但近幾年才開始被廣泛應(yīng)用,該材料可響應(yīng)不同波長的光并隨之改變電阻,在電子薄膜和紅外線光電子技術(shù)上有重大潛在應(yīng)用價值。

從根本上說,此次研究就是利用二維層狀黑磷中與氧化有關(guān)的缺陷引起的獨特光響應(yīng)來實現(xiàn)視覺記憶。

也就是說,當(dāng)在覆有黑磷的芯片上照射不同顏色的光時,芯片會隨之產(chǎn)生諸如成像或記憶元件存儲等不同的功能。同時,這種芯片還具有波長選擇性多位編程功能和即時擦除功能,實現(xiàn)了像素內(nèi)圖像預(yù)處理。

圖 | 層狀黑鱗設(shè)備。a) 在 SiO2/Si 襯底上制作的 BP 器件的三維渲染原理圖;b) SiO2/Si 襯底上的 BP 器件的光學(xué)顯微鏡照片;c) 從 b 裝置上剝落的 BP 片的原子力顯微鏡(AFM)掃描圖像,坐標(biāo)圖顯示根據(jù)圖像描繪的一條線,該 BP 片的剖面高度為 7.3nm;d) 電子顯微鏡下 BP 片的橫截面透射圖像,水平虛線顯示出 BP 片頂部和底部表面存在氧化磷層。(來源:該論文)

此外,該模型還受到了光遺傳學(xué)(Optogenetics)的啟發(fā),光遺傳學(xué)是生物技術(shù)中的新興工具,能夠結(jié)合遺傳工程與光波來操作特定神經(jīng)細(xì)胞的活性。這一技術(shù)使科學(xué)家能以很高的精度深入研究人體神經(jīng)系統(tǒng),并利用光來操縱神經(jīng)元。

Ahmed 博士認(rèn)為,由光驅(qū)動的計算技術(shù)比現(xiàn)有技術(shù)速度更快、結(jié)果更準(zhǔn)確,且所需能耗更少。比如,將這一芯片與人工視網(wǎng)膜一起結(jié)合使用,會幫助科學(xué)家將這一新技術(shù)進(jìn)一步微型化,并提高仿生眼的準(zhǔn)確性。

“這一技術(shù)是朝著電子學(xué)的終極方向邁進(jìn)的重要一步:在微小的芯片上創(chuàng)造一個可以像人類一樣從周圍環(huán)境學(xué)習(xí)的‘大腦’?!?/p>

責(zé)任編輯:haq

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