創新突觸超低耗能 促進未來人工智能發展

蔡玉芬

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Professor Ho looks at a chip implanted with his new superlattice nanowires.
何教授手持的芯片,備有其研發的超晶格納米線。

 

香港城市大學(城大)領導的團隊成功研發嶄新人工視覺系統,每次突觸反應耗能較人腦少逾九成。其極低耗電量有助以媲美人腦的效率執行數據密集認知任務,有利新一代人工智能發展。

研究團隊由城大材料科學及工程學系副系主任何頌賢教授領導。研究成果已於學術期刊《科學進展》上發表,題為「基於氧化物超晶格納米線中的準二維電子氣研製的人工視覺系統」。

長久以來,科學家一直致力於研發像人類大腦般輕巧、具能源效益及適應能力的人工智能電腦。人類靠大腦內的突觸為不同部位的神經元傳遞信息,而人工突觸就是模仿人類大腦有效傳遞神經信號和記憶功能。

何教授說:「可是現有人工突觸若要做到耗能極低、但又能有效模仿人腦的神經網絡溝通效能,仍是一大挑戰。」

為提升人工突觸的能源效益,何教授的研究團隊首次把「準二維電子氣」引入人工神經形態系統。團隊開發的半導體材料氧化物超晶格納米線,讓電子在超晶格內自由走動,成功研發準二維電子氣光子突觸。其每次突觸反應耗能甚低,最低少於千萬億分之一焦耳,比人腦突觸足足少93%。

當接觸到光脈衝時,這些自由電子會與環境中的氧氣分子引發一系列反應,改變光子突觸的電導,達到類似人腦突觸神經信號變化的效果。因此,準二維電子氣光子突觸可模擬人腦神經元傳遞信號和記憶信號的功能。

何教授解釋:「超晶格納米線材料具有特殊性能,使該人工突觸集感光和記憶功能於一身,不必另設額外記憶模組作儲存電荷之用,從而節省能耗。」該人工視覺系統能有效準確地感測光刺激,並「記住」該光刺激的形狀長達一小時。何教授形容,就如「我們的大腦會記住眼睛所見的事物一段時間一樣」。

何教授說:「實驗結果顯示人工視覺系統利用特製的光子突觸,能以極低耗能,執行感光、人腦般運算和記憶的功能。我們相信該研究成果可為仿生設備、電子眼睛及多功能機器人開拓發展前景。」

合成光子突觸和人工視覺系統更毋需使用複雜儀器,可大規模和低成本的方式,在柔性塑料上製備。

何教授是論文的通訊作者,論文第一作者是博士生孟優李方舟。來自城大的研究團隊成員還有卜修明博士葉晨寶博士康小林魏仁杰李達攀王飛。團隊其他成員則來自電子科技大學、九州大學及東京大學。

這項研究獲城大、香港研究資助局、國家自然科學基金會、深圳市科技創新委員會資助。

The quasi-2DEG photonic synapse device can be made using flexible polyimide substrate.
團隊於柔性塑料上製備出可以彎曲的準二維電子氣光子突觸。

 

 

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