一個能學習的納米元件：比勒菲爾德大學研制的憶阻器被內(nèi)置于比人頭發(fā)薄600倍的芯片中

據(jù)國外媒體報道，長久以來，科學家一直夢想著造出像大腦一樣的電腦。大腦比電腦更加節(jié)能，而且還會自主學習，不需要任何編程。來自比勒菲爾德大學物理學系的高級講師安迪·托馬斯博士正在做這方面的努力，他的研究材料是憶阻器(memristor)，一種能夠模仿神經(jīng)功能的微電子元件。托馬斯及其同事在一年之前就制作出了一種具有學習能力的憶阻器?，F(xiàn)在，安迪·托馬斯利用這種憶阻器作為人工大腦的關(guān)鍵部件，他的研究結(jié)果將于近期發(fā)表在《物理學學報D輯：應(yīng)用物理學》雜志上。

憶阻器由極薄的納米薄膜制成，可用于連接電子回路。多年來，憶阻器一直被視為神經(jīng)突觸的電子版。突觸是神經(jīng)元之間聯(lián)系的橋梁，神經(jīng)元活動越多，這種突觸聯(lián)系也就越多。通常，一個神經(jīng)元與其他神經(jīng)元通過數(shù)千個突觸進行聯(lián)系。憶阻器可以接收來自電子回路的脈沖，并且在關(guān)掉電源后，仍能“記憶”先前通過的電荷量。因此，憶阻器允許通過的電流量取決于之前通過電流的強度及通過的時間。

安迪·托馬斯解釋說，因為憶阻器與突觸的這種相似性，使其成為制造人工大腦——從而打造出新一代的電腦——的絕佳材料，“它使我們得以建造極為節(jié)能、耐用，同時能夠自學的處理器。”托馬斯的文章總結(jié)了自己的實驗結(jié)果，并借鑒其他生物學和物理學研究的成果，首次闡述了這種仿神經(jīng)系統(tǒng)的電腦如何將自然現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為技術(shù)系統(tǒng)，及其中應(yīng)該遵循的幾個原則。這些原則包括，憶阻器應(yīng)像突觸一樣，“注意”到之前的電子脈沖；而且只有當刺激脈沖超過一定的量時，神經(jīng)元才會做出反應(yīng)，憶阻器也是如此。

正是由于這種特性，神經(jīng)突觸才能在大腦學習的過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。安迪·托馬斯以巴甫洛夫的經(jīng)典生理學實驗為例，說明了學習的過程。如果狗看到食物，就會出現(xiàn)流口水的自然反應(yīng)；如果狗每次看到食物時都聽到鈴聲，那么鈴聲這種“中性”的刺激就會與引起反射反應(yīng)的刺激聯(lián)系起來。所以，最后狗即使沒有看到食物，在聽到鈴聲時也會流口水。這種條件反射的生理原因是，做出反射反應(yīng)的神經(jīng)元與觸發(fā)這些反應(yīng)的神經(jīng)元之間具有更多的突觸聯(lián)系。

如果中性的響鈴刺激與食物刺激同時出現(xiàn)，狗的大腦就會開始學習，其負責這兩種刺激的神經(jīng)元之間建立起更多的聯(lián)系。“你也可以用憶阻器建立起類似的電子回路，這是通往仿神經(jīng)處理器的第一步?！卑驳稀ね旭R斯說，“這是完全有可能做到的，因為相比原來基于比特(bit)的計算機處理器，憶阻器對信息的存儲更加精確。”憶阻器和比特都是利用電子脈沖進行工作，但后者不能進行任何微小調(diào)整，而只能“開”和“關(guān)”。相比之下，憶阻器能夠持續(xù)增高或減弱電阻。托馬斯解釋道：“這也是人工大腦進行學習和遺忘的過程中，憶阻器如何發(fā)揮作用的基礎(chǔ)?！?任天)