来自科罗拉多州博尔德市美国国家标准与技术研究院（NIST）的科学家已经制造出一种超导装置，它就像人类突触的一个超高效版本。
神经突触是神经元之间的连接，而这些连接间强度的变化就是神经网络学习的方式。美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究团队已经制造出了一种超导突触，它由纳米尺度磁性元件制成，能量效率非常高，超过了人类突触的100倍或以上。
NIST的物理学家迈克·施耐德（Mike Schneider）在新闻稿中说：“NIST突触相比人类突触来说，能量需求更低，据我们所知，目前还没有任何使用更少能量的人造突触。”
新突触的核心部分是一个被称为磁性约瑟夫森结的装置。施奈德解释说，一个普通的约瑟夫森结本质上是“超导体之间的一个微弱连接”。在一定的安培强度下，电流将在无需电压的条件下，通过隧穿效应越过那个微弱连接点（一个非超导材料的薄细片），并流经这样一个结点。然而，如果你让更多的电子通过，直到达到一个“临界电流”，那么电压将以一个极高的速率（10万兆赫或更高）激增。
在一个磁性约瑟夫森结中，那个“微弱连接”是磁性的。磁场越高，产生电压峰值所需的临界电流就越低。在施耐德和他的同事设计的装置中，磁场是由嵌入在硅中的大约2万个纳米级锰簇产生的。每个纳米团簇都有自己的磁场，但这些磁场起初都指向随机方向——即总磁场为零。NIST的研究小组发现，他们可以使用一个小型外部磁场结合小的皮秒脉冲电流，使越来越多的锰簇排列它们的磁场。其结果是结点处的磁场逐渐增加，装置的临界电流降低，从而更容易引发电压峰值。
这个过程类似于大脑的学习过程：神经元向突触发送电压峰值。这个峰值是否足以令下一个神经元自身发出峰值电压取决于突触连接的强度。当更多的电压峰值使突触连接增强时，学习就发生了。在NIST的装置中，临界电流就像是突触强度。一个磁性约瑟夫森结是否达到临界电流取决于纳米团簇排列的程度，而这是由它们接收到的峰值控制的。
单是这种相似性还不足以使这样一个装置如此有趣：事实上，它可以在100 GHz的速率下工作，且每个峰值消耗不到1阿焦耳——10-18焦耳的能量。人类神经元的工作速率不到其百万分之一，而能量消耗却超过其1000倍。更好的是，基于磁性约瑟夫森结的突触可以很容易地堆积成密集的3D电路。
NIST的科学家们已经使用超导突触模拟了一个简单的神经网络。下一步是建立那个3D电路和更复杂的电路。但施耐德表示，这不是他们的全部目标。
他们还想要消除学习所需的小型外部磁场，因为这可以让电路更复杂。施耐德认为他们可以通过使用磁性RAM（编码位移传感器）技术获得相同的效果。即，一种特定类型的电流可以扭转磁性层的自旋状态。施耐德希望类似的方法可以用在锰纳米团簇上。
一个更远大的目标是令学习脉冲的能量可以匹配人造神经元的输出脉冲的能量。现在，每个输出电压峰值携带的能量不到一阿焦耳。但是，至少需要三阿焦耳才能触发纳米团簇并导致学习。所以，目前的学习必须“脱机”进行，因为一个神经元不能在没有帮助的情况下教会另一个神经元。（即使如此，一旦经过训练，系统就可以以更快的速度和更低的能量运行）。
根据NIST的模拟和实验，他们可能通过缩小结点的尺寸，并让其工作温度从寒冷的5开尔文略微提高，使得输入和输出能量更紧密地匹配。通过匹配的输入和输出，他们可以创建一个能自己学习的低功耗系统。施奈德说：“这很令人兴奋，因为现在我们真的可以让系统像大脑一样工作了。”
NIST科学家在本周的《科学前沿》（Science Advances）中描述了这种设备，并在11月份的IEEE国际重启计算会议上详细介绍了他们系统的其他方面。（请参阅“四种奇怪的计算新方法”，IEEE Spectrum，2017年12月）
（翻译：马一瑗 审校：郭晓）
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