三星提出神經形態晶片新見解 複製貼上大 - 工程師

三星提出神經形態晶片新見解 複製貼上大腦

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三星電子（Samsung Electronics）2021年9月23日於《Nature Electronics》科學期刊發
表，「基於複製和貼上大腦的神經形態電子學」（Neuromorphic electronics based on
copying and pasting the brain）的論文，分享了新的見解，離實現更好模仿大腦的神
經形態晶片（neuromorphic chip）又更近一步。

該研究主要作者，由三星高級技術研究院（Samsung Advanced Institute of Technology
）研究員、哈佛大學教授Donhee Ham，哈佛大學教授Hongkun Park，三星SDS總裁兼執行
長、三星研究院前負責人Sungwoo Hwang，以及三星電子副董事長兼執行長Kinam Kim。

論文中闡述的見解，可以用兩個詞來概括：「複製」和「貼上」。論文提出了一種方法，
利用Donhee Ham和Hongkun Park教授開發的奈米電極陣列（nanoelectrode array）「複
製」大腦的神經元連接圖，然後將圖片「貼上」到高密度的3D固態記憶體網絡上。

透過這種複製和貼上的方法，作者設想創造出一種記憶體晶片，接近大腦獨特的計算特徵
：低功耗、便捷的學習能力、對環境的適應，甚至是自主和認知，都是目前的技術無法達
到的。

大腦由大量的神經元組成，神經元的連接負責大腦的功能。因此，對連接圖的瞭解是對大
腦進行逆向工程（reverse engineering）的關鍵。

神經形態工程於1980年代首次被提出時，目標是在矽晶片上模仿神經元網路的結構和功能
，然而即使到現在，人們對大量的神經元是如何連接、創造大腦的高級功能依然所知甚少
。因此，神經形態工程的目標已經放寬到設計一個受大腦「啟發」的晶片，而不是嚴格意
義上的「模仿」。

論文中提出了一種回歸神經形態目標的大腦逆向工程的方法。奈米電極陣列可以有效進入
大量的神經元，敏銳的記錄電信號。這些大規模並行的細胞內記錄為神經元連結圖提供資
訊，可以繪製出神經元相互連接的位置以及連接的強度。從這些記錄中，可以提取或「複
製」神經元連結圖。

神經元圖譜從複製到可以被「貼上」到非揮發性記憶體（Non-Volatile Memory）的網路
中，例如日常生活中使用的固態硬碟（SSD）中的商用快閃記憶體，或可變電阻式記憶體
（RRAM）等新型記憶體，透過對記憶體進行編碼，使其電導代表複製的圖譜中每個神經元
連接的強度。

論文更進一步，提出了一種將神經元接線圖迅速粘貼到記憶體網路上的策略。當由細胞內
記錄的信號直接驅動時，一個特別設計的非揮發性記憶體網路可以學習和表達神經元連接
圖。這是一個直接將大腦的神經元連接圖下載到記憶體晶片上的方案。

由於人腦估計有1000億左右的神經元，以及1000倍左右的突觸連接，最終的神經形態晶片
將需要100兆左右的記憶。將如此龐大數量的記憶集成在單一晶片上，將通過記憶體的3D
整合來實現，這是三星領先的技術為記憶產業開闢了新世代。

三星計畫利用在晶片製造方面的經驗，繼續研究神經形態工程，擴大在下世代人工智慧半
導體領域的領先地位。未來目標，將推動機器智慧、神經科學和半導體技術的發展。

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