三星發表於神經形態晶片「複製貼上」人類大腦的願景

on 05.10.2021
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三星與哈佛研究人員於《Nature Electronics》期刊發表一篇前瞻性論文
闡述於記憶體晶片對大腦進行逆向工程的新方法

全球先進半導體技術領導品牌三星電子近期提出一項新見解,指出類大腦運作的神經形態晶片可望成真,推動世界朝此創新願景邁進一大步。
 

此前瞻性論文由三星頂尖工程師與哈佛大學學者共同提出,並刊登於《Nature Electronics》期刊,標題為《基於複製貼上大腦的神經形態電子學》(Neuromorphic Electronics Based on Copying and Pasting the Brain)。三星先進技術研究院(SAIT)院士暨哈佛大學教授Donhee Ham、哈佛大學教授Hongkun Park、三星SDS總裁暨執行長與SAIT前院長Sungwoo Hwang、三星電子副主席暨執行長Kinam Kim等人並列為共同通訊作者。
 

CNEA中的鼠類神經元影像(CMOS奈米電極陣列)

 

論文作者群提出的願景,其要旨可用「複製貼上」一言以蔽之。此技術使用Donhee Ham與Hongkun Park博士開發的突破性奈米電極陣列;將其複製大腦的神經網路連線圖後,貼至固態硬碟的高密度3D網路上。而三星在此技術上更是位居全球領導者之位。
 

藉由複製貼上的方式,作者期盼創造一款能模仿人類大腦運算特性的記憶體晶片,如低功耗、學習靈活、環境適應性,甚至是自主性與認知性-遠超越當前的科研成果。
 

大腦由不計其數的神經元組成,而神經元之間的連線圖,則負責大腦的各項功能。因此,欲對人類大腦進行逆向工程,須先了解神經元連線圖的運作原理。
 

自1980年代起,神經形態工程技術即開始發展。最初的研究目標,是在矽晶片上模仿人類大腦神經網路的結構和功能。然而該任務十分艱難,因為人類至今對於大量神經元如何相互連結,以構築人腦的複雜功能,仍所知甚少。受限於此,神經形態工程的目標,已簡化為設計一個受大腦「啟發」的晶片,而非一味地模仿。
 
此篇論文提出的方法,回歸最初的研究目標-大腦逆向工程的神經形態學。奈米電極陣列能有效地進入大量大腦神經元,並以極高的靈敏度記錄電流訊號。從大量細胞並行記錄的訊號中,掌握神經元相互連結的位置及相互連結的強度。因此,研究員可從這些記錄中,提取或「複製」神經元連線圖。
 
而後,可將複製的神經元連線圖,貼至非揮發性記憶體(Non-Volatile Memories)上,例如日用固態硬碟(SSD)中的商業快閃記憶體,或可變電阻式記憶體(RRAM)等「新型」記憶體。藉由對各記憶體進行編程,使其得以利用傳導性,重現被複製連線圖的神經元連結強度。
 

(左起)論文共同通訊作者:三星先進技術研究院(SAIT)院士暨哈佛大學教授Donhee Ham、哈佛大學教授Hongkun Park、三星SDS總裁暨執行長(SAIT前院長)Sungwoo Hwang、三星電子副主席暨執行長Kinam Kim

 
該篇論文進一步提出如何迅速地將神經網路連線圖,貼至記憶體網路的策略。受細胞內記錄訊號直接驅動時,經特殊設計的非揮發性記憶體,可學習並發送神經元連線圖。此為一種將大腦神經元連線圖直接下載至記憶體晶片的方案。
 
由於人腦有近千億個神經元(Neurons)及千倍數的突觸連接(Synaptic Connections),因此最終的神經型態晶片容量,需可儲存100兆個突觸連接資料。將如此龐大的記憶體整合於單一晶片上,可借助3D記憶體整合技術實現,而三星正為此技術的業界領航者。
 
憑藉在晶片製造領域的領先經驗,三星將致力投入神經形態工程研究,持續擴大新世代AI半導體領域的領先地位。
 
三星先進技術研究院(SAIT)院士暨哈佛大學教授Donhee Ham博士於受訪時表示:「三星提出極具野心的願景,若能朝此宏大目標邁進,將能突破機器智慧、神經科學和半導體技術的疆界。」

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