對于工程師們來說，無法實現人類大腦效率和超強計算性能的其中一個原因在于，一直以來我們缺少一種可以獨立發揮神經元作用的電子設備。要做到這一一點，需要我們發明一種全新的設備，其設計比此前創造的所有東西都更加復雜。

近日，來自惠普實驗室的Suhas Kumar、R.Stanley Williams（現在為德州農工大學教授）和斯坦福大學已故博士生 Ziwen Wang 發明了一種滿足這些要求的設備。就其本身而言，使用一個簡單的直流電壓作為輸入，該設備不僅可以輸出其他設備可以管理的簡單脈沖，而且還可輸出神經元的全部活動情況，包括脈沖爆發、自激振蕩，以及大腦中出現的其他情況。該研究成果的具體描述發表在了近日的《自然》雜志上。

它將電阻、電容和所謂的Mott憶阻器都集成在同一個裝置中。憶阻器是以電阻的形式保存流過它們的電流的存儲器。Mott憶阻器還有一個附加功能，即能夠反映受溫度影響下的電阻變化。Mott 轉換中的材料根據其溫度在絕緣和導電之間轉換。這種特性在 20 世紀 60 年代就被發現了，但直到最近才在納米級設備中進行了探索。

這種轉變發生在憶阻器中的納米級氧化鈮條中。當施加電壓時，NbO2 會輕微發熱，使其從絕緣變為可導電。一旦這種轉換發生，電容中累積的電荷就會流過。然后，設備冷卻到剛好足以觸發轉回絕緣狀態。這樣脈沖電流就類似于神經元的動作電位。

Williams說：“我們已經為此努力了五年。在這一小塊納米材料結構中發生了很多事情。”

根據Kumar的說法，憶阻器發明者Leon Chua預測，如果設置出可能的器件參數，則行為穩定的區域之間將存在行為混亂的區域。在某些混亂區域的邊緣，可能存在執行新的人造神經元功能的器件。

Image: Suhas KumarThe device is capable of a host of behaviors.

Williams認為Kumar微調了設備的材料和物理參數，從而找到了一個有效的組合。他說：“你不會是偶然發現這個的。在發現這一特點之前，一切都必須非常完美。但是一旦你能制造出這個東西，它實際上會變得非常穩固，而且可以復現。?！?/p>

研究人員首先構建了脈沖版本的布爾邏輯門（NAND 和 NOR），隨后通過構建小型模擬優化電路來對器件進行測試。

要想把這一設備最終擴展到實用化程度，并挑戰當前常規架構的設備，還需要很多工作要做。例如，Kumar和Williams計劃探索在不同溫度下經歷Mott轉變的其他可能材料。NbO2 的轉換出現在 800 度，過高了。這一溫度只會出現在納米級的涂層里，想要把這種環境擴展到數百萬設備上是一個大問題。

Williams表示，其他人也研究過氧化釩，它在60攝氏度的溫度下轉變，但這可能太低了，因為數據中心的系統通常要在100攝氏度下工作。

可能還會存在其他可實現同樣效果的轉換材料。Williams 說：“尋找最佳材料是一個非常有趣的問題?！?/p>

原文標題：首個單設備模擬神經元出現 可有效解決傳統計算機所面臨的問題

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