清華大學(xué)研究出基于記憶電阻器的神經(jīng)信號(hào)分析系統(tǒng)

現(xiàn)有大多數(shù)腦機(jī)接口的信號(hào)處理模塊采用的是傳統(tǒng)的馮 · 諾伊曼結(jié)構(gòu)。處理信號(hào)的過程中，需要將模擬神經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，之后再進(jìn)行處理。這種信號(hào)處理方式與大腦的工作方式不同，轉(zhuǎn)換和壓縮會(huì)造成大功耗和信號(hào)延遲，還會(huì)導(dǎo)致信息丟失、難處理并行計(jì)算，從而降低信號(hào)處理的準(zhǔn)確性。

現(xiàn)在，科學(xué)家開始嘗試仿生設(shè)計(jì)，以更好地處理大容量的神經(jīng)模擬信號(hào)。

清華大學(xué)微納電子系、未來芯片技術(shù)高精尖創(chuàng)新中心的錢鶴、吳華強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)與醫(yī)學(xué)院洪波教授團(tuán)隊(duì)最近實(shí)現(xiàn)了一種新方案——基于記憶電阻器的神經(jīng)信號(hào)分析系統(tǒng)。相關(guān)成果于 8 月 25 日發(fā)表在 Nature Communication 上。

圖 | 利用憶阻器陣列進(jìn)行神經(jīng)信號(hào)分析，實(shí)現(xiàn)高效的腦機(jī)接口 (來源：Nature Communications)

這是錢鶴和吳華強(qiáng)團(tuán)隊(duì)關(guān)于憶阻器應(yīng)用的新成果。此前在今年 2 月份，其團(tuán)隊(duì)研制了基于多個(gè)憶阻器陣列的存算一體系統(tǒng)，在該系統(tǒng)上高效運(yùn)行了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，成功驗(yàn)證了圖像識(shí)別功能。相關(guān)成果在《自然》上在線發(fā)表。

圖 | 全硬件實(shí)現(xiàn)的憶阻器卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（來源：Nature )

吳華強(qiáng)教授表示，憶阻器是一種新型信息處理器件，其工作機(jī)理與人腦中的神經(jīng)突觸、神經(jīng)元等具有一定的相似性，基于憶阻器（Memristor）的神經(jīng)形態(tài)計(jì)算可以突破傳統(tǒng)計(jì)算架構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)高并行度的同時(shí)顯著降低功耗。

圖 | 基于憶阻器的新型腦機(jī)接口（來源：論文）

憶阻器（Memristor)，即記憶電阻器，其命名由 Memory（記憶）和 Resistor（電阻）合成。1971 年，加州大學(xué)伯克利分校教授蔡少棠根據(jù)電子學(xué)理論預(yù)言，存在繼電阻、電容、電感之后的第四種電路基本元件，這種基本原件能夠表示磁通與電荷之間的關(guān)系。

2008 年，惠普公司以兩層二氧化鈦薄膜制作出了憶阻器元件，當(dāng)電流通過時(shí)，電阻會(huì)隨之發(fā)生改變。電流停止后，電阻會(huì)停留在此前的值，直到接收到反向的電流電阻值才會(huì)被重寫。這種對(duì)電流狀態(tài)變化的捕捉，與大腦突觸的可塑性具有相似性，并且兩者都是通過離子運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。

憶阻器的特性讓其能直接處理模擬信號(hào)，通過憶阻器的陣列，能夠進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)信號(hào)的并行處理，這也是大腦的關(guān)鍵特征之一。

吳華強(qiáng)教授表示，此次是微電子和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的交叉研究與合作，為腦機(jī)接口技術(shù)帶來了更多的可能性。

原文標(biāo)題：清華團(tuán)隊(duì)提出新型腦機(jī)接口，功效提升400多倍

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