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通過化學(xué)更好地實(shí)現(xiàn)人工智能

時間:2024-02-07

靈感來自電池的設(shè)備可實(shí)現(xiàn)快速模擬人工智能。

我們距離人工大腦還有多遠(yuǎn)?也許還有很長一段路要走,但如今初步模擬大腦網(wǎng)絡(luò)的基本要素——突觸似乎近在咫尺。
這是因?yàn)槿缃裼幸环N靈感來自電池的電化學(xué)存儲器(ECRAM)設(shè)備出人意料地適合運(yùn)行人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。令人意想不到的是,它給傳統(tǒng)基于晶體管的人工智能(AI)帶來了意料之外的資金競爭壓力,在開發(fā)理想的人工突觸方面,它很快地走向了領(lǐng)先地位。2022年年末,在IEEE國際電子設(shè)備大會(IEDM)和其他會議上,研究人員報告了一系列相關(guān)進(jìn)展,包括耗能更低、存儲時間更長、占用空間更少的ECRAM設(shè)備等。
目前,驅(qū)動機(jī)器學(xué)習(xí)算法的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以軟件為基礎(chǔ),可對大量基于電子器件的“神經(jīng)元”及其大量連接(即突觸)進(jìn)行建模。研究人員認(rèn)為,不用軟件來表現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),而用真實(shí)設(shè)備來表現(xiàn)組件,特別是突觸,能夠?qū)崿F(xiàn)更快、更節(jié)能的AI。這種概念被稱為模擬AI,它需要一種具有許多難以獲得特性的存儲單元:它需要具有足夠?qū)挼哪M值范圍,可在這些值之間快速可靠地切換,還能長時間保持這些值,同時還要適合大規(guī)模生產(chǎn)。

大多數(shù)類型的存儲器適合存儲數(shù)字值,但噪聲太大,無法可靠地存儲模擬值。但在2016年,美國桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室亞力克?塔林(Alec Talin)帶領(lǐng)的一個研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),答案就在他們面前,即電池的充電狀態(tài)。“從根本上說,電池的原理是離子在兩種材料之間移動。當(dāng)離子在兩種材料之間移動時,電池可存儲和釋放能量。”李益陽(Yiyang Li,音)說。當(dāng)時他在美國桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室,現(xiàn)為密歇根大學(xué)材料科學(xué)與工程助理教授。他說:“我們發(fā)現(xiàn),可以使用相同的過程來存儲信息。”
換言之,通道中的離子數(shù)量可形成存儲的模擬值。理論上,單個離子的差異是可以檢測的。ECRAM用這些概念,通過第三柵極控制“電池”中的電荷量。
這種電池有一個負(fù)極,中間是一個離子摻雜通道,另一端是正極。通道中離子數(shù)量可確定正負(fù)端子間的導(dǎo)電率,導(dǎo)電率可形成存儲在設(shè)備中的模擬值。在通道上方,有一個允許離子(而非電子)通過的電解質(zhì)屏障。該屏障頂部是一個儲存層,內(nèi)有可供應(yīng)的移動離子。施加到儲存層的電壓起到“柵極”的作用,可迫使離子通過電解質(zhì)屏障進(jìn)入通道,或使離子由通道返回儲存層。如今,切換到任何指定存儲值的時間都非常快。
“這些設(shè)備的反應(yīng)比大腦突觸快得多。”麻省理工學(xué)院工程和計算機(jī)科學(xué)教授杰西?德爾?阿拉莫(Jesus del Alamo)說,“這為我們進(jìn)行類似大腦計算——明顯快于大腦的人工智能計算提供了基本的可能性,這是實(shí)現(xiàn)人工智能前景真正需要的。”

德爾?阿拉莫在麻省理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)選擇了單個質(zhì)子作為設(shè)備的主要信息載體,因?yàn)榕c較大的離子相比,它們的速度無與倫比。幾個月前,研究人員展示了一種設(shè)備,可在幾納秒內(nèi)移動離子,其速度約是大腦突觸的1萬倍,但只是速度快還不夠。
“可以看到,該設(shè)備對(電壓)脈沖的響應(yīng)非常快,電壓脈沖仍然有點(diǎn)大。”德爾?阿拉莫說,“這是個問題。我們希望這些設(shè)備對電壓較低脈沖的響應(yīng)速度也很快,因?yàn)檫@是能效的關(guān)鍵。”
IEDM 2022年12月發(fā)布的報告顯示,麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)首次實(shí)時研究了電流的流動,深入了解其設(shè)備的運(yùn)行情況。他們發(fā)現(xiàn)了阻礙設(shè)備在較低電壓下切換的瓶頸:質(zhì)子很容易穿過電解質(zhì)層,但需要在電解質(zhì)和通道之間的接口施加額外的電壓。德爾?阿拉莫說,有了這些認(rèn)識,研究人員相信他們可以設(shè)計該材料的接口,降低切換所需的電壓,實(shí)現(xiàn)更高的能效和可擴(kuò)展性。
然后,通過編程,這些設(shè)備通常會保持電阻率幾個小時。桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室和密歇根大學(xué)的研究人員已經(jīng)合作將這一保持時間的極限推到10年。2022年11月,他們在《先進(jìn)電子材料》雜志上發(fā)表了其研究結(jié)果。
為了實(shí)現(xiàn)長期存儲,密歇根大學(xué)的李益陽領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)在麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)所開發(fā)的設(shè)備中選擇了較重的氧離子代替質(zhì)子。即使對于更大質(zhì)量的離子,他們觀察到的情況也出人意料。“記得我外出旅行的一天,我的研究生戴安娜?金(Diana Kim)向我展示了數(shù)據(jù),我很驚訝,以為出現(xiàn)了問題。”李益陽回憶道,“我們沒有想到它具有如此強(qiáng)大的非易失性。后來我們一遍又一遍地重復(fù),才獲得了足夠的信心。”
他們推測,這種非易失性來自他們選擇的材料氧化鎢,以及氧離子在其中的排列方式。李益陽解釋道:“我們認(rèn)為,這是由于一種被稱為相位分離的材料特性,它允許離子如此排列,沒有驅(qū)動力將其推回。”
可惜的是,這么長的存儲時間是以切換速度為代價的,李益陽團(tuán)隊(duì)的設(shè)備切換速度以分鐘為單位。但研究人員表示,通過在物理上了解如何延長存儲時間,他們能夠?qū)ふ业酵瑫r具備長時間存儲和快速切換特性的其他材料。

同時,這些設(shè)備需要有第三極,這也讓它們比競爭對手兩極存儲器更笨重,而且限制了其可擴(kuò)展性。
為了幫助縮小設(shè)備體積,并有效地將其壓縮成陣列,韓國浦項(xiàng)科技大學(xué)的研究人員提供了支持。這樣一來,研究人員可以將設(shè)備的占用空間縮小到僅30納米×30納米,該面積約為前一代設(shè)備所占面積的1/5,同時還保留了切換速度,并提高了能效和讀取時間。相關(guān)研究人員在IEDM 2022上也報告了其研究成果。
該團(tuán)隊(duì)的設(shè)備采用了較大的垂直堆疊結(jié)構(gòu):源極沉積在底部,上方是導(dǎo)電溝道,再上面是漏極。為了在漏極允許離子進(jìn)出溝道,研究人員用單層石墨烯代替了常用的半導(dǎo)體材料。這種石墨烯的漏極還成為控制離子流的附加屏障。在漏極上方,研究人員放置了電解質(zhì)屏障,最后在頂部放置了離子儲存層和柵極。這樣的配置沒有降低性能,反而降低了設(shè)備讀取和寫入信息所需的能量。因此,讀取存儲模擬值所需的時間縮短到了原來的1/20。
盡管取得了上述進(jìn)展,但我們離實(shí)現(xiàn)能加速AI訓(xùn)練的商用ECRAM芯片仍然有一段距離。IBM研究院AI硬件中心的項(xiàng)目總監(jiān)約翰?羅森(John Rozen)表示,現(xiàn)在可以用便于代工的材料制造這種設(shè)備,但這只是一小步。“業(yè)界關(guān)注的關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)該是解決集成問題,讓ECRAM設(shè)備能夠與前端晶體管邏輯單片耦合在同一塊晶圓上,這樣我們就可以大規(guī)模建造演示設(shè)備,并確定它是否是一種可行的技術(shù)。”
羅森在IBM的團(tuán)隊(duì)正在努力實(shí)現(xiàn)這種可制造性。同時,他們還制作了一款軟件工具,用戶可以使用這種工具仿真不同的模擬AI設(shè)備(包括ECRAM),實(shí)際訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并評估其性能。
作者:Dina Genkina

IEEE Spectrum

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