【導(dǎo)讀】當(dāng)傳統(tǒng)二進(jìn)制計(jì)算架構(gòu)陷入算力堆疊與能耗高企的瓶頸，生物神經(jīng)系統(tǒng)依托尖峰信號(hào)實(shí)現(xiàn)的高效智能，為類腦計(jì)算研究點(diǎn)亮了新方向。本文圍繞萬(wàn)老師團(tuán)隊(duì)的研究成果，從尖峰信號(hào)這一生物智能的核心特質(zhì)出發(fā)，拆解類腦計(jì)算在器件層面的雙重探索路徑——憶阻器的存算協(xié)同潛力與晶體管的三維互聯(lián)突破，剖析測(cè)試表征對(duì)器件工程化的關(guān)鍵制約與解決方案。
從尖峰信號(hào)出發(fā)：類腦計(jì)算的器件原點(diǎn)
萬(wàn)老師指出，傳統(tǒng)計(jì)算體系依賴二進(jìn)制邏輯，而生物神經(jīng)系統(tǒng)的信息交互本質(zhì)是尖峰信號(hào)（spike）。在自然界中，昆蟲和微生物能夠在極低能耗、極簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)下完成復(fù)雜任務(wù)，這與當(dāng)下算力堆疊式 AI 架構(gòu)形成鮮明對(duì)比。現(xiàn)實(shí)世界的諸多應(yīng)用，并不依賴高精度數(shù)值計(jì)算，而更接近模擬計(jì)算與動(dòng)力學(xué)過程的協(xié)同。
正是在這一認(rèn)知基礎(chǔ)上，其團(tuán)隊(duì)將研究重心放在神經(jīng)形態(tài)器件上，希望在器件層面復(fù)刻生物智能的高效與魯棒性。
憶阻器與晶體管：器件路線的雙重探索
在器件選擇上，萬(wàn)老師團(tuán)隊(duì)主要聚焦兩條技術(shù)路線：憶阻器與晶體管型器件。非易失性憶阻器適用于存算一體架構(gòu)中的高精度計(jì)算；而動(dòng)態(tài)憶阻器因其易失性和信號(hào)衰減特性，更貼近生物神經(jīng)系統(tǒng)的時(shí)間動(dòng)力學(xué)行為，能夠同時(shí)承載刺激幅值與時(shí)間信息。
與此同時(shí)，多柵極晶體管結(jié)構(gòu)為類腦系統(tǒng)提供了另一種可能——突破二維互聯(lián)限制，向更高密度的三維互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)，為大規(guī)模類腦系統(tǒng)構(gòu)建提供新的工程路徑。
測(cè)試成為關(guān)鍵變量：從器件走向系統(tǒng)的必經(jīng)之路
隨著器件響應(yīng)速度不斷提升，測(cè)試與表征逐漸成為類腦器件工程化過程中不可忽視的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。萬(wàn)老師提到，其團(tuán)隊(duì)已實(shí)現(xiàn)納秒級(jí)響應(yīng)器件的研發(fā)，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)在速度、精度和同步性方面提出了更高要求，尤其是在尖峰信號(hào)捕捉與時(shí)序一致性上。
此外，類腦研究往往需要光學(xué)與電學(xué)平臺(tái)的協(xié)同工作，這對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的開放性與可定制能力提出了挑戰(zhàn)。泰克 4200 A-SCS半導(dǎo)體參數(shù)分析系統(tǒng)所提供的開放接口與自動(dòng)化能力，有效降低了多平臺(tái)協(xié)同測(cè)試的復(fù)雜度，使科研人員能夠?qū)⒏嗑ν度氲狡骷C(jī)理與系統(tǒng)構(gòu)建本身。
走向工程現(xiàn)實(shí)：規(guī)?；c探索并行
談及未來方向，萬(wàn)老師將類腦研究概括為“兩條路徑并行”：一方面，持續(xù)推動(dòng)器件性能提升與系統(tǒng)規(guī)?；剿骺陕涞氐墓こ虘?yīng)用；另一方面，堅(jiān)持對(duì)尖峰動(dòng)力學(xué)等基礎(chǔ)問題的探索，以邏輯推理和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新挖掘新的計(jì)算范式。
例如，基于尖峰編碼的儲(chǔ)池計(jì)算網(wǎng)絡(luò)，無需反向傳播訓(xùn)練，依托時(shí)間與空間的隨機(jī)性即可完成非線性映射，在光信號(hào)處理、邊端計(jì)算等場(chǎng)景中展現(xiàn)出低功耗與低成本潛力。
