美国国家标准与技术研究所(NIST)的研究人员已经研制出一种超导开关，它可以像生物系统一样“学习”，并能在未来的电脑中连接处理器和存储记忆，就像人脑一样。在《科学进展》中描述的NIST的开关，被称为突触，就像它的生物副本一样，它为所谓的神经形态计算机提供了缺失的部分。作为一种新型的人工智能，这样的计算机可以促进自动驾驶汽车和癌症诊断等应用程序的感知和决策。

突触是两个脑细胞之间的连接或开关。NIST的人工神经突触——一种直径为10微米的圆柱形金属圆柱体——就像真实的东西一样，因为它可以处理输入的电峰值，从而定制输出信号。这种处理是基于一个灵活的内部设计，可以通过经验或环境来调整。电池或处理器之间的放电越多，连接就越强。真实的和人工的突触都可以保持旧的电路并创造新。甚至比真实的情况还要好，NIST的突触可以比人类大脑每秒产生10亿次的速度更快，相比之下，大脑细胞每秒钟只消耗50次能量，大约是人类突触的1万分之一。在技术术语中，spiking能量小于1attojoule，低于室温下的背景能量，与分子中两个原子的化学能量结合。

插图显示了NIST的人工突触的基本操作，它可以连接处理器，并存储未来神经形态计算机的记忆，就像人脑一样。突触是两个脑细胞之间的连接或开关。NIST的人工神经突触是一个微小的金属圆柱体，它处理传入的电刺，以根据可调的内部设计自定义spiking输出信号。研究人员利用电流脉冲来控制指向同一方向的纳米团簇的数量，正如“无序”和“有序”的卡通所描述的那样。在这种设计中，不同的输入会改变排列和产生的输出信号，这是由大脑的运作方式所激发的。

NIST的物理学家迈克·施耐德说：NIST的突触比人类的突触具有更低的能量需求，我们也不知道其他的人工神经突触耗能更少。新的突触将用于由超导元件组成的神经形态计算机，它可以在没有电阻的情况下传输电能，因此，它比基于半导体或软件的其他设计更有效。数据将被传输、处理并储存在磁通量的单位中。模拟大脑细胞和传输线的超导设备已经被开发出来，但是直到现在，高效的突触是一个关键的片段。对于像上下文识别这样的任务来说，大脑的功能尤其强大，因为它既能同时处理数据，也能同时处理整个系统的突触记忆。传统的计算机只按顺序处理数据，并将内存存储在一个单独的单元中。

NIST的突触是一个约瑟夫森结，长期用于NIST的电压标准。这些连接是一种超导材料的夹层，具有绝缘体作为填料。当电流通过连接处超过了临界电流的水平时，就产生了电压峰值。突触使用标准的铌电极，但在硅基体中有一种独特的由纳米级的锰组成的填充。纳米团——每平方微米大约有2万个——就像微小的棒状磁铁，带有“自旋”，可以以随机的方式或以协调的方式定向。这些是定制的约瑟夫森结，可以控制指向同一方向的纳米簇的数量，这将影响到连接的超导性质。

突触处于超导状态，除非它被输入电流激活，并开始产生电压峰值。研究人员在磁场中应用电流脉冲来促进磁场的排列，也就是说纳米团的数量指向同一个方向。这种磁场效应逐渐降低了临界电流水平，使其更容易产生一个正常导体并产生电压峰值。当所有的纳米团排列一致时，临界电流是最低的。这个过程也是可逆的:在没有磁场的情况下使用脉冲来减少磁性的排列和提高临界电流。在这种设计中，不同的输入改变了自旋校准和产生的输出信号，这与大脑的运作方式类似。

突触行为也可以通过改变设备的制造方式和操作温度来调节。通过使纳米团更小，研究人员可以减少所需的脉冲能量来提高或降低设备的磁性顺序。例如将操作温度从-.15摄氏度(-.07华氏度)稍微提高到-.15摄氏度(-.47华氏度)，结果就会产生越来越高的电压峰值。至关重要的是，这些突触可以被叠加在三维空间中，从而形成可以用于计算的大型系统。NIST的研究人员创建了一个电路模型来模拟这样一个系统是如何运作的。根据该论文NIST的突触小尺寸、超高速脉冲信号、低能量需求和3-D叠加能力的组合，可以提供比其他技术更复杂的神经形态系统的手段。

知识：科学无国界，博科园-科学科普

参考：ScienceAdvances

内容：经“博科园”判定符合今主流科学

来自：国家标准技术研究院

编译：光量子

审校：博科园

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