MIT用超導(dǎo)體制成極低功耗神經(jīng)元，能效接近人類大腦，比計(jì)算機(jī)高4個(gè)量級(jí)
開關(guān)一次功耗為千萬(wàn)億分之5焦耳
曉查 發(fā)自 凹非寺
量子位 出品 | 公眾號(hào) QbitAI
計(jì)算機(jī)越來(lái)越智能，但是智能的算法卻需要大量的資源。一臺(tái)計(jì)算機(jī)以GHz的頻率運(yùn)行，功耗上千瓦。而人類的大腦運(yùn)行速率比電腦慢幾百萬(wàn)倍，只有約20W的功率，卻能輕松做到這一切。
以戰(zhàn)勝李世石的AlphaGo為例，它使用了48個(gè)TPU，每個(gè)TPU功率是40W，能效比遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于人類。
因此科學(xué)家們一直在努力，希望能造出接近人類大腦效率的設(shè)備。
最近MIT的研究人員設(shè)計(jì)了一種由納米線制成的超導(dǎo)神經(jīng)元，在許多方面已經(jīng)表現(xiàn)得像真的神經(jīng)元一樣，至少在能效上是這樣。
與人腦對(duì)比
功率等于電壓乘以電流。研究人員對(duì)每個(gè)電路元件的電流、電壓乘積對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分，計(jì)算出了人造超導(dǎo)神經(jīng)元的能耗。
研究人員經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)納米線神經(jīng)元對(duì)于每個(gè)動(dòng)作電位消耗約0.05fJ（1fJ=10-15J，即千萬(wàn)億分之一焦）的能量，而突觸的能耗小一個(gè)數(shù)量級(jí)，大約為0.005fJ。
由于超導(dǎo)電路使用很少的能量，這種超導(dǎo)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)效率可與生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)媲美。能效比（每秒每瓦突觸操作量，SOPS/W）已經(jīng)和人類神經(jīng)元處于同一個(gè)量級(jí)，比一般的計(jì)算設(shè)備高出4個(gè)數(shù)量級(jí)。
下表是人腦、兩種CMOS以及超導(dǎo)納米線神經(jīng)元之間的對(duì)比。
工作原理
人類神經(jīng)元是靠動(dòng)作電位來(lái)傳遞信號(hào)。所謂動(dòng)作電位是指的是細(xì)胞膜受到刺激，使膜的內(nèi)外的電位差發(fā)生反轉(zhuǎn)，然后再傳播出去。
而且人類神經(jīng)元還有個(gè)特性：除非輸入信號(hào)超過某個(gè)閾值，否則它們不會(huì)產(chǎn)生興奮，像極了數(shù)字電路。超導(dǎo)納米線具有獨(dú)特的非線性特性，也可以像神經(jīng)元一樣產(chǎn)生這種作用。這種性質(zhì)是由超導(dǎo)體的臨界電流造成的。
當(dāng)電流超過某個(gè)閾值時(shí)，納米線的超導(dǎo)電性會(huì)消失，從原來(lái)的完全沒有電阻到產(chǎn)生電阻，然后在電路兩端產(chǎn)生電壓。電阻突然增加，就會(huì)產(chǎn)生電壓脈沖，這就類似于神經(jīng)元中的動(dòng)作電位。
一個(gè)超導(dǎo)神經(jīng)元電路由兩組納米線組成，分為主振蕩器和控制振蕩器。為了觸發(fā)動(dòng)作電位，需要施加一個(gè)小的輸入電流脈沖，并與偏置電流相加，使其超過主振蕩器的LC，使其發(fā)生轉(zhuǎn)換。
此時(shí)，電流脈沖與偏置方向相反，因此控制振蕩器不會(huì)觸發(fā)。一旦主振蕩器狀態(tài)改變，電流就會(huì)以逆時(shí)針方向加到超導(dǎo)回路上，它與偏置電流相加，才能觸發(fā)控制振蕩器。
主振蕩器以回路電流的形式將磁通量添加到超導(dǎo)回路，這類似于人類神經(jīng)元鈉離子流入細(xì)胞引起電流的作用，控制振蕩器的作用類似于鉀離子輸出電流。
出了動(dòng)作電位閾值外，超導(dǎo)納米線電路還有類似于人類神經(jīng)系統(tǒng)不反應(yīng)期這種特性。
研究人員希望，未來(lái)用這種超導(dǎo)納米線神經(jīng)元實(shí)現(xiàn)低功耗的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
論文地址：
https://arxiv.org/abs/1907.00263
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