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IBM製成世界首個人造神經元,可像人腦一樣運算


IBM發明世界首個人造神經元。
IBM 製成了世界上第一個納米大小的人造相變神經元。來源:IBM網頁

當地時間8月3日,IBM 蘇黎世研究中心宣布,製成了世界上第一個納米大小的人造相變神經元。IBM 科研人員還在此基礎上構建了由500個該神經元組成的陣列,用於模擬人類大腦的工作方式處理信號。人工神經元不僅有和人類神經元一樣的「集體編碼」特性,它的信號處理能力也已經超過了奈奎斯特-香農採樣定理(Nyquist–Shannon sampling theorem)的極限。這一突破標誌着人類在認知計算應用領域邁出了重要一步。

人造相變神經元完全由目前已知的材料組成,除了尺寸達到納米級、信號傳輸速度快、功耗低等特點外,更重要的是它的反應完全隨機,這意味着即便輸入相同的信號,相變神經元每次的輸出也會略有不同,符合生物神經元的特性。IBM 研究人員表示,人工神經元之所以出現隨機特性,是因為 GST 材料(由鍺Ge、銻Sb、碲Te元素組成)的非晶體狀態每次重置後會有些許不同,而生物神經元則是因為離子電導、熱量、背景噪聲等因素導致隨機性。

人工神經元是模仿真正的生物神經元建立的。人工神經元沒有生物神經元那樣完全相同的功能,但是可以通過使用這些神經元實現接近真正大腦一般的運算結果。

IBM 蘇黎世研究院研究員、「隨機相變神經元」論文的作者之一 Manuel Le Gallo

人造相變神經元由輸入端、神經薄膜、信號發生器、輸出端組成,它們的作用分別類似生物神經元的樹突、雙分子層、神經細胞主體和軸突。信號發生器和輸入端之間還有反饋迴路,用於增強某些類型的輸入信號。

不過,真正的在神經元細胞膜由磷脂雙分子層組成,而在 IBM 的人造神經元中,神經元細胞膜被替換成為小塊的 GST 材料。GST 材料是復寫光碟的主要原料,即一種相變材料,在加熱、激光或電力的作用下,它能在晶體相和非晶體相間進行轉換。處於晶體相和非晶體相時,GST 材料具有的物理特性也不同:非晶相不導電,晶體相則能夠導電。這一特質使得 GST 材料能模擬磷脂雙分子層的工作方式。

奈奎斯特–香農採樣定理

奈奎斯特–香農採樣定理又稱採樣定理,因紀念通訊理論的奠基者之一奈奎斯特(Harry Nyquist)和資訊理論的創始人香農(Claude Shannon)而得名。在數字信號處理領域,採樣定理是連續信號(通常稱作「模擬信號」)與離散信號(通常稱作「數字信號」)之間的一個基本橋樑。它確定了信號帶寬的上限,或能捕獲連續信號的所有信息的離散採樣信號所允許的採樣頻率的下限。(資料來自維基百科)

來源:ArstechnicaNewsweek

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