该设备由美国西北大学、波士顿学院和麻省理工学院（MIT）的研究人员设计，能像人脑一样同时处理和存储信息。在新的实验中，研究人员证明这种晶体管超越了简单的机器学习任务，能够对数据进行分类，并能进行联想学习。
尽管之前的研究利用类似的策略开发出了类似大脑的计算设备，但这些晶体管无法在低温环境下工作。相比之下，新设备在室温下也能稳定运行。它的运行速度也很快，能耗极低，即使断电也能保留存储的信息，因此非常适合实际应用。
这项题为 “具有室温神经形态功能的莫伊里突触晶体管 “的研究于12月20日发表在《自然》杂志上。
“西北大学的马克-赫萨姆（Mark C. Hersam）是这项研究的共同负责人。
“在数字计算机中，数据在微处理器和内存之间来回移动，这会消耗大量能量，并在尝试同时执行多项任务时造成瓶颈。另一方面，在大脑中，内存和信息处理位于同一位置并完全集成，因此能效要高出几个数量级。我们的突触晶体管同样实现了同时记忆和信息处理的功能，从而更忠实地模拟了大脑”。
赫萨姆是西北大学麦考密克工程学院材料科学与工程系的沃尔特-墨菲（Walter P. Murphy）教授。他还是材料科学与工程系主任、材料研究科学与工程中心主任和国际纳米技术研究所成员。赫萨姆与波士顿学院的马琼（Qiong Ma）和麻省理工学院的巴勃罗-哈里洛-埃雷罗（Pablo Jarillo-Herrero）共同领导了这项研究。
人工智能（AI）的最新进展促使研究人员开发出更像人脑一样运行的计算机。传统的数字计算系统拥有独立的处理和存储单元，导致数据密集型任务消耗大量能源。随着智能设备不断收集大量数据，研究人员正努力寻找新的方法来处理这些数据，同时又不会消耗越来越多的电能。
目前，忆阻器（或称 “memristor”）是最先进的技术，可以同时执行处理和存储功能。但是，忆阻器仍然存在开关能耗高的问题。
“赫萨姆说：”几十年来，电子技术的范式一直是用晶体管制造一切，并使用相同的硅架构。
“通过将越来越多的晶体管集成到集成电路中，我们已经取得了长足的进步。你不能否认这一策略的成功，但它的代价是高功耗，尤其是在当前的大数据时代，数字计算正朝着压倒电网的方向发展。我们必须重新思考计算硬件，尤其是人工智能和机器学习任务。”
为了重新思考这一范式，赫萨姆和他的团队探索了摩尔纹物理学的新进展。摩尔纹是一种几何设计，当两个图案相互叠加时就会出现。当二维材料堆叠在一起时，就会产生单层材料所不具备的新特性。当这些层被扭曲形成摩尔纹图案时，电子特性前所未有的可调谐性就成为可能。
在新装置中，研究人员结合了两种不同类型的原子级薄材料：双层石墨烯和六方氮化硼。当叠加并有目的地扭曲时，这两种材料会形成摩尔纹。通过相对旋转一个层，研究人员可以在每个石墨烯层中实现不同的电子特性，即使它们之间只有原子尺度的距离。通过正确选择扭转方式，研究人员利用摩尔纹物理学在室温下实现了神经形态功能。
“赫萨姆说：”有了扭转作为新的设计参数，排列组合的数量是巨大的。”石墨烯和六方氮化硼在结构上非常相似，但又有足够的不同，因此能产生异常强烈的摩尔纹效应。
为了测试这种晶体管，赫萨姆和他的团队训练它识别相似但不完全相同的图案。2023 年早些时候，赫萨姆推出了一种新型纳米电子设备，能够以节能的方式对数据进行分析和分类，但他的新型突触晶体管将机器学习和人工智能向前推进了一步。
“赫萨姆说：”如果人工智能的目的是模仿人类思维，那么最低级的任务之一就是对数据进行分类，也就是简单地将数据分门别类。”我们的目标是推动人工智能技术向更高层次的思维方向发展。现实世界的条件往往比当前的人工智能算法所能处理的更为复杂，因此我们在更为复杂的条件下测试了我们的新设备，以验证其先进的能力。”
首先，研究人员向设备展示了一个图案：000（三个零连在一起）。然后，他们要求人工智能识别类似的图案，如 111 或 101。”赫萨姆解释说：”如果我们训练它检测000，然后给它111和101，它就会知道111比101更类似于000。”000和111并不完全相同，但都是连续的三位数字。识别这种相似性是一种更高层次的认知形式，被称为联想学习。
在实验中，新型突触晶体管成功地识别出了相似的模式，显示了它的联想记忆能力。即使研究人员抛出曲线球–比如给它不完整的图案–它仍然成功地展示了联想学习。
“赫萨姆说：”当前的人工智能很容易被混淆，这在某些情况下会造成重大问题。”试想一下，如果你正在使用一辆自动驾驶汽车，而天气状况恶化。车辆可能无法像人类驾驶员那样很好地解读更复杂的传感器数据。但即使我们给晶体管提供了不完美的输入，它仍然可以识别出正确的反应。
论文来源：
Mark Hersam：Moiré synaptic transistor with room-temperature neuromorphic functionality, Nature (2023).
具有室温神经形态功能的莫伊里突触晶体管，《自然》（2023 年）。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06791-1
原创文章，作者：Xaiat
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