利用神經形態晶片模擬人腦
2020-10-19
作者
Maurizio di Paolo Emilio，EE Times Europe編輯暨EEWeb主編
長期以來人們一直在研究生物細胞的電特性，以便瞭解細胞動力學。離子電流的動態特性和離子電導的非線性是由微觀參數控制，由於測量微觀參數具有相當的難度，阻礙了定量運算模型的建構…
長期以來人們一直在研究生物細胞的電特性，以便瞭解細胞動力學。離子電流的動態特性和離子電導的非線性是由微觀參數控制，由於測量微觀參數具有相當的難度，阻礙了定量運算模型的建構。利用可植入生物電子元件治療慢性病越來越受推崇，推動了能夠精確模擬生物電路的低功耗固態類比元件的發展。
人腦利用超過1,000億個神經元處理資訊並即時儲存資訊。神經元透過並聯的100兆個突觸互相通訊，使網路能夠在較低功率(約20W)下同時完成儲存、運算和推理。
神經元將產生集體振盪模式的訊號當成網路的一部分，集體振盪模式對神經元的特性極為敏感。神經形態晶片的一個目標是能夠整合非線性電特性並實現低功耗，同時能即時處理大量訊號。
固態神經元是透過微電子佈局實現的，在不同的電流注入刺激時，它跟生物神經元的反應幾乎是相同。利用對非線性方程式模型進行最佳化，提供了一種對類比電子電路進行程式設計的有效方法。利用這種方法可以修復患病的生物迴路，生物醫學植入元件能夠適應生物回饋並模擬其功能。
神經形態晶片可用於置入的腦-機介面，是一種發展前景很好的技術，許多相關的研究專案正在研發之中。其中的一個應用是改善視覺修復系統或深層腦部刺激設置。蘇黎世大學(Universität Zürich)和蘇黎世聯邦理工學院(Eidgenössische Technische Hochschule Zürich)神經資訊學研究所所長Giacomo Indiveri說，「神經形態晶片功耗低、外形小，它們有可能透過晶片內線上學習電路適應人體的變化；」他並表示，「神經形態晶片通常使用同樣的動力學與所相連的神經迴路進行耦合，然後檢測與它們通訊的神經種群活動是否有異常——例如，檢測癲癇的發作。」
神經形態晶片類似於人的大腦，僅在需要時工作，從而節省能量。許多研究人員和分析師認為，神經形態晶片不僅是人工智慧的未來，同時也是未來開發低能耗密碼評估系統的關鍵。
巴斯大學(University of Bath)物理學教授Alain Nogaret表示：「這些晶片用合成的生物電路代替患病的生物電路，可以滿足退化性神經元疾病患者的需求。」Nogaret作為研究小組的成員與心臟病專家進行合作，證明了神經元晶片透過恢復大腦底部呼吸神經元的功能，可以逆轉心力衰竭的影響。
在他們的一篇論文中，作者解釋了為什麼不願意將結果延用到其他疾病：「因為迄今為止，我們對患病動物模型廣泛完成的唯一試驗是心力衰竭。」但是根據Nogaret的說法，他們能想到的可以採用這種方法的疾病還包括︰「阿茲海默症和神經元膜離子通道病(通道病)。癲癇病患者也能從中受益，據文獻報導，某些形式的癲癇病與特定的離子通道有關。」
Indiveri說：「另一個更成熟的應用是人工耳蝸。神經形態晶片的主要優點是功耗較低、體積小，還具備與相連的尖峰神經元『說同樣語言』的潛力，即動作電位和神經動力學。」
神經形態晶片也可用來監聽運動神經元活動，並對預期的肌肉啟動模式進行解碼(例如控制假體裝置)。
這些晶片是類比元件，是典型的非線性動態系統。它們讀取原始神經訊號，並輸出神經元振盪作為類比電壓。「由於不需要ADC/DAC，因此非同步晶片可以即時整合複雜而嘈雜的突觸輸入。」Nogaret說，「主要難點在於透過參數及閘極偏置對晶片進行調節，以便能對某一類生物神經元做出相同的回應。這就是我們將要開發參數估計方法的目的。」
從生物相容性的角度來看，晶片必須具有最小的侵入性，它可以最大程度地利用能量採集，以接近零功耗來處理訊號。正如心臟起搏器等植入元件目前所使用的電子電路和系統受到一定的限制，神經形態晶片在設計上也有一些限制。「我們擁有超過60年的大型積體電路(VLSI)生產經驗，很大程度上可以克服這些限制，」Nogaret說，「透過工程技術的不斷進步，並根據來自試驗物件的回饋，可以進一步最佳化這些晶片，從而最佳化生物植入元件。」
採用CMOS技術實現的VLSI電路是用來開發數位系統的一項策略性技術。隨著微電子元件的整合度越來越高，系統將變得更加複雜。
VLSI系統的發展推動了高度專業化技術的出現。要實現VLSI系統，封裝及晶片級的整合更有用，因為它們尺寸小、訊號連接短。由於晶片的複雜性不斷升高，設計方法也需做出相應的改進，同時還需要更強的CAD環境。
但是在完全採用這些方法之前，還需要進行進一步的研究和開發。
Ceryx Medical目前正在開發生物電子中樞模式發生器(CPG)，用來模仿人的神經中樞。CPG可以在沒有節奏輸入的情況下產生有節奏的輸出，在醫療應用中，這種元件可以幫助控制非自願和自願的節律過程。例如蠕動、心律、甚至步態，當自然節律過程因為疾病或受傷而被損壞時，使用該元件有助於恢復正常功能。
新創公司Neuralink和Paradromics也在最佳化其神經形態解決方案。Neuralink正在研發具有更多電極的可植入無線系統，以便記錄來自更多神經元的訊號(圖1)。
圖1：類似縫紉機的機器人將電極插入大腦。
(圖片來源：Neuralink)
Paradromics即將推出第一個高資料速率腦電腦介面(圖2)。這一可植入系統大大提高了資料速率、可攜性和耐用性，可用於醫療保健。該創業公司目前正努力透過整合更多、更小的電極，在其神經植入元件的表面容納更高密度的探針。
圖2：Paradromics系統。
(圖片來源：Paradromics)
神經形態元件未來面臨的挑戰是利用深度學習工具來提高回應效率並改進模型，以便將大腦轉變為數位化模型。這種解決方案的主要應用是採用數位方法治療阿茲海默症和其他認知障礙。
神經形態晶片可以模仿大腦有效處理資料，遠優於現有的機器，因為現有機器難以適應大資料、人工智慧和機器學習的需求。神經形態晶片處理還可望在非醫療領域(包括語音/臉部辨識和資料擷取)中發揮重要作用，並從不斷發展的資料中準確地學習。
(參考原文：Neuromorphic Chips Mimic the Human Brain，by Maurizio Di Paolo Emilio)
