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MIT用超导体制成极低功耗神经元,能效接近人类大脑,比计算机高4个量级

2019-07-22
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晓查 发自 凹非寺
量子位 出品 | 公众号 QbitAI

计算机越来越智能,但是智能的算法却需要大量的资源。一台计算机以GHz的频率运行,功耗上千瓦。而人类的大脑运行速率比电脑慢几百万倍,只有约20W的功率,却能轻松做到这一切。

以战胜李世石的AlphaGo为例,它使用了48个TPU,每个TPU功率是40W,能效比远远低于人类。

因此科学家们一直在努力,希望能造出接近人类大脑效率的设备。

最近MIT的研究人员设计了一种由纳米线制成的超导神经元,在许多方面已经表现得像真的神经元一样,至少在能效上是这样。

与人脑对比

功率等于电压乘以电流。研究人员对每个电路元件的电流、电压乘积对时间进行积分,计算出了人造超导神经元的能耗。

研究人员经过分析发现,超导纳米线神经元对于每个动作电位消耗约0.05fJ(1fJ=10-15J,即千万亿分之一焦)的能量,而突触的能耗小一个数量级,大约为0.005fJ。

由于超导电路使用很少的能量,这种超导神经网络效率可与生物神经网络媲美。能效比(每秒每瓦突触操作量,SOPS/W)已经和人类神经元处于同一个量级,比一般的计算设备高出4个数量级。

下表是人脑、两种CMOS以及超导纳米线神经元之间的对比。

工作原理

人类神经元是靠动作电位来传递信号。所谓动作电位是指的是细胞膜受到刺激,使膜的内外的电位差发生反转,然后再传播出去。

而且人类神经元还有个特性:除非输入信号超过某个阈值,否则它们不会产生兴奋,像极了数字电路。超导纳米线具有独特的非线性特性,也可以像神经元一样产生这种作用。这种性质是由超导体的临界电流造成的。

当电流超过某个阈值时,纳米线的超导电性会消失,从原来的完全没有电阻到产生电阻,然后在电路两端产生电压。电阻突然增加,就会产生电压脉冲,这就类似于神经元中的动作电位。

一个超导神经元电路由两组纳米线组成,分为主振荡器和控制振荡器。为了触发动作电位,需要施加一个小的输入电流脉冲,并与偏置电流相加,使其超过主振荡器的LC,使其发生转换。

此时,电流脉冲与偏置方向相反,因此控制振荡器不会触发。一旦主振荡器状态改变,电流就会以逆时针方向加到超导回路上,它与偏置电流相加,才能触发控制振荡器。

主振荡器以回路电流的形式将磁通量添加到超导回路,这类似于人类神经元钠离子流入细胞引起电流的作用,控制振荡器的作用类似于钾离子输出电流

出了动作电位阈值外,超导纳米线电路还有类似于人类神经系统不反应期这种特性。

研究人员希望,未来用这种超导纳米线神经元实现低功耗的神经网络。

论文地址:
https://arxiv.org/abs/1907.00263

作者系网易新闻·网易号“各有态度”签约作者


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