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。”

此外，該芯片發(fā)揮著類似于人腦的功能，可使得 AI 系統(tǒng)變得更加強大。未來，隨著技術(shù)的進一步突破和發(fā)展，該芯片可以實現(xiàn)更智能、更小型的自主技術(shù)，比如無人機和機器人技術(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）、機器學(xué)習(xí)（machine learning）和內(nèi)存（memory）等方面，以進行快速的現(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圖像，還能對數(shù)字進行分類。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器學(xué)習(xí)和 AI 集成到較小應(yīng)用程序中的方向。”

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’。”

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