米兰·(milan)中国官方-2024医疗器械展会Medtec新技术速递——Nature Materials柔性仿生神经元

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2024-07-04

除了了几何尺寸缩小以外，于芯片单元面积上封装愈来愈多的晶体管并维持摩尔定律的要害限定因素是高效的热治理。当强盛的晶体管于计较历程中切换状况而且电畅通过互连线穿过计较机芯片的差别区域时，就会不停孕育发生热量。年夜部门热量是经由过程毗连到芯片的散热片（例如金属块）消失的。此外，按照事情温度的差别，还有会于各类环境下利用自动冷却，例如电扇及基在液流的冷却。是以，热量凡是被认为是高机能计较技能的不良副产物。这激发了一个问题：孕育发生的热量是否可以被使用而不是消失。

VO二、NbO2 等量子质料（凡是称为莫特绝缘体）会履历热驱动的绝缘体-金属改变。于临界温度下发生的由此孕育发生的急剧电导变化（例如，纯无应变 VO2晶体约为 340 K；纯 NbO2 晶体约为 1080 K）是新兴电子计较，尤其是神经形态电子学所存眷的核心。当用莫特绝缘体系体例成的装备与电容器并联并遭到电偏置时，跟着质料别离于绝缘状况及导电状况之间切换，电路孕育发生的电流输出可以于低值及高值之间自振荡。这类振荡近似在生物神经元的周期性动作电位。于生物神经元中，振荡是因为钙钾或者相干离子均衡驱动的神经元细胞膜上的时间电压梯度引起的，而这里的振荡是因为焦耳加热致使质料于两个差别的电子相之间切换。于神经形态计较范畴，这类基在相变的人工神经元是实现人工智能硬件的基石之一。

2024医疗器械展会Medtec相识到近日，韩国科学技能院Kyung Min Kim、美国桑迪亚国度试验室Suhas Kumar等人不单单是简朴地提出利用NbO2的热驱动电导开关作为神经元模仿器，而更高在该观点。研究职员展示了电子装备中内部孕育发生的热量的时间动力学可以被设计为于单个装备内编码信息，并于多个装备上处置惩罚信息。

图|一种模仿生物危险感触感染器的热辅助神经形态NbOx装配

起首，研究职员于聚酰亚胺（PI）层上制造了Ti/NbOx/Pt基交织器件，该聚酰亚胺层可以从玻璃基板上去除了，从而形成柔性平台。他们发明，只管弯曲半径高达10 妹妹，但这些装备于跨越10000次阈值电气开关轮回后仍能反复事情。对于于PI与Si衬底上制造的NbOx神经元的开关研究展现了一个有趣的看法：因为PI（0.12 W m−1 K−1）的热导率远低在Si（130 W m−2 K−2），是以PI上的器件于较低电压下体现出更强的负差阻举动。换言之，捕捉的热量局部地增长了开关层的导电性。需要留意的一点是，作者的模仿注解，于切换事务时期，只有不到0.002%的层将温度提高到1000 K以上，而年夜大都PI衬底连结于330 K，这象征着对于周围区域的毁坏可以纰漏不计。

图|柔性仿生神经元

作者经由过程构建基在NbOx的振荡器，证实了九种二阶（于PI及Si衬底上生长的器件）及九种三阶神经元举动（于PI上生长的装备）。作者进一步模拟了“危险性举动”，这是生物经由过程孕育发生痛苦悲伤来辨认有害刺激的一个主要特性。图1显示了生物危险感触感染器体系的简朴示用意。因为衬底更有用地连结热量，施加多种电刺激致使于比阈值切换标称预期更低的电压下孕育发生输出电流尖峰，这被称为异样性痛苦悲伤及痛觉过敏举动。跟着刺激之间时间距离的增长，这类特征逐步放松，为生物受体提供了一种优雅的近似物。

经由过程于芯片上放置多个如许的装备，作者随后证实，当相邻的神经元打开并于运行历程中孕育发生热量时，某些神经元细胞可以被激活（即显示振荡）。换言之，电路中的热流有益在于较低电压下开启神经元，并进一步用在解决图优化问题。是以，空间热流可以或许于特定的时间距离内计较热孕育发生及扩散的特征。于纷歧定电毗连于一路的电路元件之间具备长程彼此作用的能力近似在先前于场驱动离子漂移中留意到的生物神经电路中的远间隔作用。

图|刺痛的危险举动

2024医疗器械展会Medtec现场将搜集海内外知名挤出导管出产加工企业，同时还有将同期召开医疗器械降生的助推器——立异医用质料/配件和精加工论坛和第七届医疗器械设计论坛等多个与导管、质料、设计相干的论坛。议将联合医用质料、周详配件和出产中周详的加工工艺、医疗器械产物的设计理念及设计方式等，为器械出产商及供给商提供交流平台。点击此处马上预挂号

虽然用一些神经元装备举行的演示为使用热约束举行信息处置惩罚提供了一条有趣的路子，但将来的实际运用仍面对挑战。例如，

1）必需细心研究热约束对于互连靠得住性的影响。

2）此外，散热时间标准必需与神经元电路设计细心匹配，以仅影响交织阵列中所需的组件。不然，热效应引起的滋扰可能会对于电路功效孕育发生负面影响。

3）末了，必需细心优化开关电压的器件间可变性，以对于电路功效举行猜测性建模，从而防止电路中神经元的不测开启，不然热掉控可能会粉碎计较。

成果是否可以扩大到集成到Si中的人工智能硬件组件，还有有待不雅察。然而，2024医疗器械展会Medtec依旧认为这些观点验证的成果引发了于新兴的神经形态及人工智能硬件中巧妙使用热量的新要领。因为存于几种体现出强烈及非线性温度相干电导率变化的质料，这些研究可以激励对于其他体系的近似摸索，并辨认可以经由过程热驱动开关解决的主要计较问题。芯片上的装备之间以无线方式举行的有利的长间隔耦合也使神经形态电子装备更靠近在它们的生物对于应物。

参考文献：

(1)Kim, G., In, J.H., Lee, Y. et al. Mott neurons with dual thermal dynamics for spatiotemporal computing. Nat. Mater. (2024).

https://doi.org/10.1038/s41563-024-01913-0

(2) Patel, R.K., Ramanathan, S. Heat-assisted neuromorphic computing. Nat. Mater. (2024).

https://doi.org/10.1038/s41563-024-01928-7

文章来历：奇物论

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