清華新聞網(wǎng)6月30日電 近日，清華大學微電子所、未來芯片技術(shù)高精尖創(chuàng)新中心的錢鶴、吳華強教授團隊與合作者在《自然?納米科技》（Nature Nanotechnology）在線發(fā)表了題為“基于人工樹突的高效神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”（Power-Efficient Neural Network with Artificial Dendrites）的研究論文，通過引入具有豐富動態(tài)特性的人工樹突計算單元，構(gòu)建了包含突觸、樹突以及胞體的新型人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在提高網(wǎng)絡(luò)計算準確率的同時顯著降低了系統(tǒng)功耗。
包含樹突計算的新型人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)示意圖
生物神經(jīng)元中的樹突具有非常復(fù)雜的拓撲結(jié)構(gòu)和動態(tài)過程，人腦中的樹突尤其復(fù)雜。許多生物神經(jīng)系統(tǒng)的研究表明樹突具有非常重要的非線性時空信息處理功能，它是大腦能夠在處理復(fù)雜任務(wù)的同時保持低功耗的重要原因之一。當前的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)大多將神經(jīng)元簡化成了簡單的點模型，將其計算功能簡化成積分-發(fā)放（integrate-and-fire），忽略了樹突的信息處理功能。這樣的簡化使得人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比，在復(fù)雜任務(wù)處理的靈活性、魯棒性和功耗上仍存在很大的差距。
受生物神經(jīng)系統(tǒng)中電化學動態(tài)過程啟發(fā)，該研究團隊通過材料體系遴選與器件結(jié)構(gòu)設(shè)計，制備出了一種能夠模擬樹突功能的新原理器件，成功復(fù)現(xiàn)了生物樹突對信號的非線性過濾、積分以及對時間信號的處理方式。為了驗證人工樹突器件的計算功能，團隊還將所研制的人工樹突器件與基于導(dǎo)電細絲的突觸器件、基于莫特（Mott）相變的胞體器件進行集成，構(gòu)建了包括突觸、樹突、胞體三種重要計算單元的新型人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。實驗結(jié)果顯示，由于樹突功能的引入，該網(wǎng)絡(luò)在處理具有復(fù)雜背景噪聲的街景門牌號（SVHN）數(shù)據(jù)集時，胞體的動態(tài)功耗降低30倍，網(wǎng)絡(luò)的準確率提高8%以上，系統(tǒng)評估整體功耗比CPU降低3個數(shù)量級。未來通過器件、算法、電路、架構(gòu)的協(xié)同創(chuàng)新與優(yōu)化，有望進一步提高人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理復(fù)雜時空任務(wù)的能力，構(gòu)建更加智能化的低功耗神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
受生物啟發(fā)制備的新原理樹突器件，復(fù)現(xiàn)了生物樹突對信號的非線性過濾、積分等功能。
集成了突觸、樹突、胞體三種計算單元的新型人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在SVHN數(shù)據(jù)集上驗證了功耗和準確率上的顯著優(yōu)勢。
錢鶴、吳華強教授團隊長期致力于基于憶阻器的存算一體芯片技術(shù)研究，從器件性能優(yōu)化、工藝集成、電路設(shè)計及架構(gòu)與算法等多層次實現(xiàn)創(chuàng)新突破，先后在《自然》（Nature）、《自然·電子》（Nature Electronics）、《自然·通訊》（Nature Communications）、《先進材料》（Advanced Materials）等頂級期刊以及國際電子器件會議 （IEDM）、國際固態(tài)半導(dǎo)體電路大會（ISSCC）等領(lǐng)域內(nèi)頂級國際學術(shù)會議上發(fā)表多篇論文。
清華大學微電子所吳華強教授是本論文的通訊作者，清華大學微電子所李辛毅博士、唐建石助理教授和張清天博士為論文的共同第一作者。該研究與清華大學醫(yī)學院及腦與智能實驗室宋森研究員、美國麻省大學楊建華教授、阿里巴巴達摩院謝源教授、加州大學圣芭芭拉分校鄧磊博士等合作完成。清華大學的研究人員得到了國家自然科學基金委、科技部重點研發(fā)計劃、北京市科委、北京信息科學與技術(shù)國家研究中心等支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41565-020-0722-5
供稿：清華大學未來芯片技術(shù)高精尖創(chuàng)新中心
編輯：李華山
審核：程曦
