神经电路单元加速开发出节能高效的计算芯片

路易斯·派珀（Louis Piper），宾厄姆顿大学物理副教授兼材料科学与工程主任。图片来源：纽约宾厄姆顿州立大学

纽约宾厄姆顿州立大学的新研究成果可能使得未来的计算机更加高效节能。

有一些像无人机这样的电子设备都依赖于一个恒定的WiFi信号才能正常运行，如果停止WiFi连接，无人机就会坠毁。宾厄姆顿大学物理系副教授兼材料科学与工程主任路易斯·派珀（Louis Piper）希望制造出更节能的计算机，这样无人机就可以适应更多的工作环境，因为它们不必携带体积较大的计算机就能保证自身拥有稳定的WiFi连接。

派珀表示：“你可以想象一下，将来我们可以在任何地方布置5G和6G，人们随时随地都有可靠的互联网连接。我们或许可以用新的硬件工艺来解决这个问题，这也正是我们小组的工作方向。我们的想法是，这些全新的芯片能够在芯片中实现连接所需的所有功能，而不再像现在这样必须同某些大型服务器交换信息才能正常工作。新的工作方式将会十分高效。”

科学家们已经开发出了类似于人脑中生物神经元的“神经”电路，它可以用极小的功率进行复杂的计算。最近，他们把铌二氧化二(NbO₂)作为神经电路的一个重要组成部分，成功复制了在生物神经元内离子通道中观察到的开关行为。不过，制作复杂的计算机处理器需要密集的电路，而制作这种神经电路使用的高电压和耗时的加工工艺，使得它几乎不可能满足这个要求。此外，这些NbO₂器件需要搭配额外的电容器才能在神经电路中正常工作，因此它们的制作工艺更加复杂、难以实现。

派珀说：“我们在试制这些电路的过程中遇到的主要问题之一是，必须要完成电铸这个工艺步骤。就像弗兰肯斯坦的怪物一样，基本上可以通过向物质施加大量的电流脉冲，它就会突变成一个活跃的元素。对于制造的工艺过程来说，这不是一种很可靠的方法。我们也不这样使用硅晶体管。我们喜欢他们能够快速稳定的进入工作状态。” 在这项研究中，佐治亚理工学院的研究人员发明了一种基于Nb₂O₅x的装置，它可以实现NBO₂/电容器组合的相似行为，并且不需要消耗额外的能量。宾厄姆顿研究人员验证了这个新装置的工作机理。派珀表示，这一发现可能会加速开发出更便宜、更节能、更高密度的神经电路，从而加速研发出更节能、更具适应性的运算芯片。

“我们想要的是材料本身就有某种开关的操作，并且我们可以在硅不能胜任的场合中利用这种开关特性。电铸工艺具有影响材料的延展性、去除某种杂质的能力，它类似与我们现在做的半导体加工工艺，替换掉电镀后使用Nb₂O₅x制作的神经电路单元变得更可靠。我们可以用这个方法制作一个神经电路的单元，因为不需要电铸，所以它更可靠，可以成为一个产业的基础。”

派珀和他的团队已经验证了模型，目前他们想要探究出实际设备在运行过程中的情况。

派珀表示：“宾厄姆顿工作的真正重心是试图从原子水平来模拟这些状态，从物理和化学中探究它们产生的原因，而不仅仅是观察这种物质，然后将其与器件性能相关联。况且我们也不能在操作设备的过程中观察到这些状态的演化过程。”

相关论文“Scalable Memdiodes Exhibiting Rectification and Hysteresis for Neuromorphic Computing”已经发表在“Scientific Reports”《科学报告》上了。

文章来自TechXplore，原文题目为New research could lead to more energy-efficient computing，由材料科技在线汇总整理。