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麻省理工学院设计出由纳米线制成的超导神经元，能效接近人脑

2019-11-19 20:25:33

7月22日消息，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

文章来源：量子位

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