人類的大腦有著不可比擬的優(yōu)點，它功耗低、學習很快、環(huán)境適應能力強，更重要的是具有自主和認知。這些優(yōu)點的背后在于，人腦擁有至少1000億個神經(jīng)元，數(shù)量約等于銀河系中的恒星數(shù)。這些神經(jīng)元又構成10^15個神經(jīng)連接，將復雜相連的神經(jīng)首尾相接，總長度超過18萬公里。 

對大腦連接圖譜的了解是對其進行逆向工程的關鍵。而始于20世紀80年代的神經(jīng)形態(tài)工程，其目的就是想在一個硅芯片上模仿這樣的神經(jīng)網(wǎng)絡結構和功能。

截至目前，科學家們對大腦圖譜仍掌握有限。因此，神經(jīng)形態(tài)工程的目標也已經(jīng)退而求其次，包括設計一個“受大腦啟發(fā)”的芯片，而不是嚴格地模仿它。近日，哈佛大學的研究人員和韓國三星電子的研發(fā)團隊在國際學術期刊《自然?電子學》（Nature Electronics）上聯(lián)合發(fā)表了一篇行業(yè)展望（Perspective）文章，提出了一種模擬人腦芯片的愿景，將大腦神經(jīng)元連接圖“復制、粘貼”到高密度三維存儲網(wǎng)絡上的可能。

該文章題為《基于復制和粘貼大腦的神經(jīng)形態(tài)電子》（Neuromorphic electronics based on copying and pasting the brain）。該文章的作者為哈佛大學約翰·保爾森工程與應用科學學院教授、三星電子高級技術研究院研究員Donhee Ham，哈佛大學物理系教授Hongkun Park ，三星SDS首席執(zhí)行官Sungwoo Hwang，三星電子副會長兼首席執(zhí)行官Kinam Kim，四人也均為文章的共同通訊作者。

左起：Donhee Ham、Hongkun Park、Sungwoo Hwang、Kinam Kim。三星電子官網(wǎng)

在這篇文章中，作者們探索了這些目前神經(jīng)形態(tài)工程方法的可能性和局限性，然后為神經(jīng)形態(tài)電子學提供了一個愿景，通過先進的神經(jīng)科學工具和最先進的記憶技術的結合，使該領域回到其最初的目標——逆向工程大腦。

他們指出，目前的神經(jīng)形態(tài)電子學一般分為兩類，即人工神經(jīng)網(wǎng)絡(ANNs)驅(qū)動和大腦自然神經(jīng)網(wǎng)絡(NNN)驅(qū)動。人工神經(jīng)網(wǎng)絡是機器學習的框架，已經(jīng)產(chǎn)生了一系列強大的人工智能(AI)應用。人工神經(jīng)網(wǎng)絡需要精確的計算，因此最好采用數(shù)字方式實現(xiàn)。 

自然神經(jīng)網(wǎng)絡則是自然智能的基礎，由電化學反應提供動力。作者們指出，與人工神經(jīng)網(wǎng)絡相比，自然神經(jīng)網(wǎng)絡擅長不同的任務：它們可以從很少或條件很差的數(shù)據(jù)中輕松學習，可以適應環(huán)境，具有自主和認知能力?！斑@些差異表明，我們至今仍知之甚少的自然神經(jīng)網(wǎng)絡的組織原則與人工神經(jīng)網(wǎng)絡有很大的不同?！?p>

在當前技術限制下，作者們認為，構建一個具有獨特計算能力，以及最終具有自主和認知的自然神經(jīng)網(wǎng)絡電路從根本上受到了挑戰(zhàn)，而提供類似大腦的智能的硅芯片仍然是一個遙遠的前景。

作者們提出的愿景的精髓可以總結為“復制”和“粘貼”兩個詞。他們提出，利用Donhee Ham和Hongkun Park團隊開發(fā)的CMOS納米電極陣列（CMOS nanoelectrode array，CNEA）“復制”大腦神經(jīng)元連接圖，并將其“粘貼”到三星電子的高密度三維固態(tài)存儲網(wǎng)絡上。

上述CMOS納米電極陣列由哈佛大學研究團隊此前完成，去年，該項研究發(fā)表于《自然·生物醫(yī)學工程》。研究團隊在半導體芯片上加工出了4096個記錄和刺激電極的CMOS納米電極陣列，芯片上還有4096個電子通道，可以同時記錄數(shù)千個神經(jīng)元的突觸連接。 

研究團隊稱，該納米電極陣列能有效地進入大量神經(jīng)元，高靈敏度地記錄神經(jīng)元電信號。這些大量并行的細胞內(nèi)信號記錄可以為神經(jīng)元連接圖提供信息。因此，可以從這些記錄中提取或“復制”神經(jīng)元連接圖譜。

“復制”完成后，研究團隊設想，可以將神經(jīng)元連接圖“粘貼”到非易失性存儲器（NVM）中，比如我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫墓虘B(tài)硬盤(SSD)的閃存，或“新”存儲器，如電阻隨機存取存儲器(RRAM)等。作者們認為，這些存儲芯片均可用作存儲網(wǎng)絡載體。 

更進一步的是，作者們在這篇論文中還提出了一種快速將神經(jīng)元連接圖“粘貼”到存儲網(wǎng)絡上的策略。他們提出，由特殊設計的非易失性存儲器組成的網(wǎng)絡，在細胞內(nèi)記錄信號的直接驅(qū)動下，可以學習和表達神經(jīng)元連接圖。這是一種直接將大腦神經(jīng)元連接圖下載到內(nèi)存芯片上的方案。 

作者們同時指出，人類大腦估計至少有1000億個神經(jīng)元，而它們形成的突觸連接更是神經(jīng)元數(shù)量的1000倍以上。因此，最終用于“復制”的神經(jīng)形態(tài)芯片，將具備存儲100萬億個虛擬神經(jīng)元和突觸數(shù)據(jù)的容量。 

三星電子方面稱，三星電子主導的“3D集成技術”開創(chuàng)了存儲器產(chǎn)業(yè)的新時代，可以使得在一個芯片上集成如此多的存儲芯片成為可能。三星電子計劃，利用在半導體制造領域的領先經(jīng)驗，繼續(xù)進行神經(jīng)工學研究，以擴大在下一代人工智能半導體領域的領先地位。 

Donhee Ham表示，“我們提出的愿景非常宏大，但朝著這樣一個宏偉的目標努力，我們將推動機器智能、神經(jīng)科學和半導體技術的邊界。”