E起計量打基礎_NIST的超導硬體可以擴展到類腦運算1 No. 120 _20221110
長期以來，科學家們一直將大腦視為設計電腦運算系統的靈感來源。一些研究人員最近透過具有類腦的結構製造計算機硬體，讓這樣的研究有了更進一步的進展。這些“神經形態晶片”已經顯示出巨大的前景，但它們使用了傳統的數位電子設備，限制了它們的複雜性和速度。隨著晶片變得越來越大和越來越複雜，它們各個組件之間的訊號會像堵在高速公路上的汽車一樣積累，而使得運算降低到有如爬行的速度。現在，美國國家標準暨技術研究院(National Institute of Standards and Technology, NIST)的一個研究團隊已經展示了這些通信挑戰的解決方案，有朝一日可能使人工神經系統的運行速度比人腦快上100,000倍。人腦是一個由大約860億個稱為神經元(neuron)的細胞組成的網路，每個細胞都可以與其相鄰細胞有數千個連接(稱為突觸，synapses)。神經元使用稱為尖峰(spike)的短電脈衝相互溝通，以產生豐富的、隨時間變化的活動模式，這些活動模式構成了認知的基礎。在神經形態晶片中，電子元件充當人工神經元，透過類腦網路路由(routing)尖峰信號。
研究人員摒棄了傳統的電子通訊基礎設施，在每個神經元上設計了帶有微型光源的網路，將光訊號廣播到數千個連接點上。如果使用超導設備來偵測稱為光子(photon)的單顆光粒子(可用於表示尖峰的最小可能光訊號)，這個設計方案就能夠做到相當高的能效。在一篇新的《自然電子(Nature Electronics)》期刊論文2中，NIST 研究人員首次實現了一種行為類似於生物突觸但僅使用單顆光子來傳送和接收信號的電路。使用超導單光子偵測器可以實現這樣的壯舉。NIST電路中的運算發生在單光子偵測器遇到稱為約瑟夫森連結(Josephson junction)的超導電路元件的地方。約瑟夫森連結是由薄絕緣膜隔開的超導材料之三明治狀夾層物。如果通過三明治夾層的電流超過某個閾(threshold)值，約瑟夫森連結開始產生稱為通量子(fluxon)的小電壓脈衝。在偵測到一個光子後，單光子偵測器將約瑟夫森連結推到該閾值之上，並且通量子作為電流在超導迴路中累積。研究人員可以透過向其中一個連結施加偏壓(為電路供電的外部電流源)來調整每個光子添加到迴路的電流量。這稱為突觸權重或強度(synaptic weight)。
這種行為類似於生物突觸的行為。存儲的電流用作短期記憶的一種形式，因為它提供了神經元在不久的過去產生了多少次尖峰的記錄。這種記憶的持續時間由電流在超導迴路中衰減所需的時間決定，NIST團隊證明了這個時間可以從數百奈秒到幾毫秒不等，甚至可能更長。這意味著硬體可以與許多不同時間尺度上發生的問題相匹配——從高速的工業控制系統到與人類更悠閒的對話。透過改變約瑟夫森連結的偏壓來設置不同權重的能力允許長期記憶可用於使網路可編程化(programmable)，以便同一個網路可以解決許多不同的問題。突觸是大腦的關鍵運算組件，因此超導單光子突觸的演示是實現研究團隊對超導光電網路邁向全面願景的重要里程碑(https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0040567 )。然而，追求這個全面願景尚有許多路未完成。本團隊的下一個里程碑是將這些突觸與晶片上的光源相結合，以展示完整的超導光電神經元。
NIST計劃主持人Jeff Shainline說：我們可以使用我們在這裡展示的東西來解決計算問題，但規模會受到限制。我們的下一個目標是將在超導電子領域的這一進展與半導體光源相結合。這將使我們能夠實現更多元素之間的溝通，並解決重大的接踵而至之問題。本團隊已經展示了可用於完整系統的光源，但需要進一步的努力將所有組件整合到單顆晶片上。突觸本身可以透過使用在比當前系統更高的溫度下運作的偵測器材料來改進，研究團隊還在探索在更大尺度的神經形態晶片中實現突觸加權的技術。
Photo courtesy of NIST: Artistic rendering of how superconducting circuits that mimic synapses (connections between neurons in the brain) might be used to create artificial optoelectronic neurons of the future.
Photo courtesy of NIST: Photograph of a NIST superconducting circuit that behaves like an artificial version of a synapse, a connection between nerve cells (neurons) in the brain. The labels show various components of the circuit and their functions.
Ref: 1) NIST’s Superconducting Hardware Could Scale Up Brain-Inspired Computing, NIST News, October 06, 2022. (https://www.nist.gov/news-events/news/2022/10/nists-superconducting-hardware-could-scale-brain-inspired-computing )
2) Paper: S. Khan, B.A. Primavera, J. Chiles, A.N. McCaughan, S.M. Buckley, A.N.Tait, A. Lita, J. Biesecker, A. Fox, D. Olaya, R.P. Mirin, S.W. Nam and J.M.Shainline. Superconducting Optoelectronic Single-Photon Synapses. Nature Electronics. Oct. 6, 2022. DOI: 10.1038/s41928-022-00840-9 (https://doi.org/10.1038/s41928-022-00840-9 )
How brain cells communicate with synapses and neuroplasticity : 大腦細胞如何以突觸和神經塑性來溝通 https://www.linkedin.com/posts/henry-chow-5b068417_biology-neuroscience-medicine-activity-6995271610001747968-vBcK?utm_source=share&utm_medium=member_desktop
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