让“机器脑”类人脑，关键何在？(2)

早在1971年，科学家蔡少棠就曾启发式地推理预言了一种新型器件——忆阻器。根据预言，忆阻器的电阻值取决于所施加的电压/电流激励历史，因此具有类神经记忆特性。

在这一预言过去37年后，惠普实验室宣布忆阻现象在新型微纳半导体器件中被观测到。此后，忆阻器件和神经形态器件几乎成了两个可以互换的概念，基于神经形态器件的类脑计算也进入了快速发展的阶段。

忆阻器作为一种有潜力的电路元件，除了生物相似性之外，在可微缩能力、存储密度和功耗等方面也要优于传统的晶体管器件。

近年来，在材料技术和功能方面，神经形态器件都取得重要进展。在材料技术方面，研究人员广泛应用各种材料——无机物、有机物、量子材料、铁电材料、铁磁材料、三维体材料和二维材料等，它们展现出各自独特的神经形态特性，为忆阻器的发展提供了多样性和灵活性。将传统晶体管和忆阻器进行混合的神经形态集成电路研究也取得了显著进展，加速了忆阻器的应用推广。在功能方面，忆阻器不仅能够模拟神经突触的可塑性功能，还可以模拟神经元的某些功能，这为实现全忆阻器的神经形态电路创造了可能性。

利用晶体管“非理想”物理机制，模拟人脑记忆功能

然而，神经形态器件发展到这个阶段，面临着新的挑战。其中一个关键挑战是仿生动力学功能不足，难以满足类脑计算对丰富神经形态动力学的要求。

正如前面所提到的，人脑的丰富动力学行为与神经组织中多样化的离子通道结构和机理是密切相关的。但是目前主流的神经形态器件通常是为模拟某一种特定的神经行为来定制，采用特定的单一物理机制来实现。

如果需要实现丰富的仿生动力学功能，就需要发展全功能的动力学神经形态器件。不过，通常来讲，功能越全面就需要更大尺寸的硬件，这与当前芯片的小型化相矛盾。要解决这个问题，就需要探索新型的器件原理和新的半导体材料。

前面提到，神经突触可塑性的一大特征是动力学时间尺度跨越几个数量级，这是人类认知和记忆功能的一个基础。事实上，我们每个人都能感受得到这种动力学的存在——有时候一件事情让人终生难忘；而有时候上一秒的事情，下一秒就忘了。这就是长期记忆和短期记忆两种时间尺度不一样的动力学行为，它们的共存帮助我们保留重要的信息，同时过滤掉不重要的信息，给大脑减负。但是现有的单器件人工突触，只能对长期可塑性或短期可塑性进行选择性的模拟，不能集成模拟。

基于这些神经突触原理，对人工突触器件和生物突触进行比较可以发现，它们之间有一个巨大的区别——前者利用相同的物理机制模拟两种功能，而后者分别利用来自突触后膜和前膜不同的钙离子通道机制来实现。

受此启发，清华大学类脑研究中心的研究团队将目光移回到晶体管上。作为计算机芯片的基本元器件，晶体管器件中实际蕴含了两种物理机制——“场效应”机制和“忆阻”机制。“场效应”机制让晶体管在0和1状态间切换，但没有持续供电的话，状态就会很快消失，从节能的角度来说不尽如人意。“忆阻”机制会让0、1状态混淆，这在以往被视为不利影响，所以在制造计算机芯片时一定要防止“忆阻”机制的显现。但“忆阻”机制还有一个特性——在断电后依然能持久地存在。

这两种对于传统计算机芯片来说不够完美，甚至不利的物理机制，不正是类脑计算中模拟突触长、短期可塑性功能所需要的吗？