Khánh Phạm
Moderator
Trong những năm gần đây, sự phát triển mạnh mẽ của thuật toán AI đã vẽ ra triển vọng ứng dụng vô hạn, truyền cảm hứng cho con người phát triển một loại phần cứng thông minh mới có thể hoàn thành các quá trình học tập trừu tượng với mức tiêu thụ điện năng thấp và hiệu suất cao giống như bộ não con người và các quy trình tính toán phức tạp.
Các thiết bị thần kinh là một trong những thành phần bán dẫn cần thiết để triển khai loại phần cứng mới này. Nó thu thập, lưu trữ và xử lý dữ liệu theo cách có thể điều chỉnh liên tục, mô phỏng hoạt động của các khớp thần kinh sinh học. So với các phương pháp tính toán kỹ thuật số truyền thống, nó có thể đạt được các chức năng tính toán tương tự với các chức năng được cập nhật và mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn.
So với các thiết bị thần kinh tương đối trưởng thành hiện nay, nó chủ yếu dựa trên cấu trúc của bóng bán dẫn memristor và memristor, và cơ chế dựa trên sự di chuyển của các ion bên trong vật liệu, bẫy điện tích, điều chế phân cực sắt và thay đổi pha.
Để có được vật liệu cốt lõi của các thiết bị như vậy thường đòi hỏi phải sử dụng lắng đọng hơi hóa học, phún xạ, lắng đọng lớp nguyên tử và các quy trình chuẩn bị khác.
Vì những lý do trên, loại thiết bị này chắc chắn sẽ gặp một số khó khăn như: không nhất quán giữa các thiết bị, tính ngẫu nhiên không thể kiểm soát, tốc độ chuyển đổi thấp, số lượng trạng thái lưu trữ hạn chế, v.v. Chỉ bằng cách giải quyết những vấn đề này, các thiết bị khớp thần kinh mới có thể thực sự được áp dụng trên quy mô lớn trong phần cứng AI.
Dựa trên điều này, Yan Xiaodong, trợ lý giáo sư của Khoa Vật liệu tại Đại học Arizona và các cộng tác viên của ông đã thoát khỏi những hạn chế của các cơ chế và quy trình chuẩn bị thiết bị truyền thống và phát triển một thế hệ thiết bị thần kinh mới dựa trên hệ thống vật liệu mới và các cơ chế vật lý.
Theo các báo cáo, siêu mạng Moiré là một hệ vật liệu mới nổi. Khi các vật liệu siêu mạng Moiré hai chiều được xếp chồng lên nhau ở những góc cụ thể, chúng biểu hiện những hiện tượng vật lý mới lạ.
Trong vài năm qua, các hiện tượng vật lý mới như tính siêu dẫn độc đáo, từ tính quỹ đạo và trạng thái tinh thể Wegener đã được phát hiện trong siêu mạng Moiré, điều này cũng tiết lộ các tính chất điện tử độc đáo của siêu mạng Moiré.
Tuy nhiên, những đặc tính này thường cần đạt được ở nhiệt độ helium lỏng cực thấp và không thể duy trì ở nhiệt độ phòng, khiến hệ thống vật liệu phong phú này khó liên kết với các ứng dụng thực tế.
Cho đến năm 2020, các nhà nghiên cứu từ Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) và Đại học Boston ở Hoa Kỳ đã phát hiện ra rằng có hiện tượng sắt điện độc đáo trong siêu mạng Moiré hBN/bilayer graphene (BLG, hBN/bilayer graphene) và có thể duy trì trong phòng. nhiệt độ.
Sau đó, tính chất sắt điện ở nhiệt độ phòng được phát hiện ở nhiều siêu mạng Moiré hơn, điều này cũng mang lại hy vọng cho ứng dụng thực tế của siêu mạng Moiré.
Trong bối cảnh đó, Yan Xiaodong và những người khác bắt đầu từ hiện tượng sắt điện độc đáo trong siêu mạng hBN/BLG Moiré và nhận ra bóng bán dẫn khớp thần kinh Moiré ở nhiệt độ phòng. Trong những tình huống phức tạp, nó có chức năng thực hiện các thuật toán AI.
Họ phát hiện ra rằng do sự tồn tại của thế Mohr tuần hoàn trong hBN/BLG nên các electron và lỗ trống có thể tồn tại ở trạng thái kép trong bóng bán dẫn khớp thần kinh Mohr, nghĩa là chúng có thể chuyển động tự do trong kênh hoặc bị ràng buộc bởi thế Mohr.
Do đó, thế Mohr không đối xứng theo phương thẳng đứng sẽ khiến các hạt tải tuân theo một cơ chế mới trong việc chuyển đổi trạng thái kép và sau này họ đặt tên cho cơ chế này là cơ chế ghép nối điện tử.
Cơ chế bánh cóc được xác định bởi góc quay Moiré giữa hBN và BLG. Đây là một đặc tính cố hữu của siêu mạng hBN/BLG Moiré ở một góc quay cụ thể và không dựa vào việc đưa các khuyết tật, thay đổi pha, ranh giới hạt, v.v. vào một cách nhân tạo. vật liệu.
Do đó, việc chế tạo và mở rộng quy mô các bóng bán dẫn khớp thần kinh Moiré chỉ cần đảm bảo rằng các vật liệu hai chiều được xếp chồng chính xác ở một góc nhất định, nhờ đó tránh được tính ngẫu nhiên không thể kiểm soát của các thiết bị khớp thần kinh truyền thống do cơ chế vật lý và quá trình chuẩn bị gây ra, như cũng như các vấn đề không nhất quán giữa các thiết bị.
Theo cơ chế bánh cóc, những thay đổi trong phạm vi quét điện áp cổng và hướng quét có thể điều chỉnh các đặc tính vận chuyển của thiết bị. Dưới tác động của cổng trên, giá trị độ dẫn của thiết bị này có thể không ổn định và có thể điều chỉnh liên tục, đồng thời độ ổn định rất tốt nên có thể thực hiện nhiều thuật toán mạng thần kinh khác nhau.
Đồng thời, thiết bị này sử dụng cấu trúc bất đối xứng, cho phép cổng trên và cổng dưới đạt được các hiệu ứng điều khiển khác nhau trên thiết bị. Dưới tác động kết hợp của các cổng kép, thiết bị có khả năng cấu hình lại cao và dễ vận hành.Mạng lưới thần kinh dựa trên thiết bị này có thể mô phỏng nguyên lý Bienenstock–Cooper– mà các nơ-ron sinh học tuân theo khi học một cách cực kỳ đơn giản.
Đồng thời, thiết bị này còn có chức năng thích ứng để phản ứng với sự can thiệp từ bên ngoài, giúp tăng cường sự mạnh mẽ của AI và cho phép AI vẫn vận hành chính xác chức năng lái tự động của ô tô trong môi trường khắc nghiệt.
Trên thực tế, bóng bán dẫn khớp thần kinh Mohr không chỉ là một công cụ mạnh mẽ để hiện thực hóa khả năng tính toán giống như não bộ mà còn có đặc điểm là tiêu thụ năng lượng cực thấp.Một thiết bị duy nhất tiêu thụ khoảng 20 picowatt, rất có lợi cho việc hiện thực hóa năng lượng thấp. tiêu thụ năng lượng và mạng lưới thần kinh quy mô cực lớn. Do đó, nó có thể được sử dụng trong các tình huống mà nguồn cung cấp năng lượng bị hạn chế, chẳng hạn như thiết bị thông minh có thể đeo và máy bay không người lái.
Gần đây, một bài báo liên quan đã được xuất bản trên tạp chí Nature [1] với tiêu đề “Bóng bán dẫn khớp thần kinh Moiré với chức năng biến đổi thần kinh ở nhiệt độ phòng”.
Yan Xiaodong và nghiên cứu sinh tiến sĩ MIT Zhiren Zheng là đồng tác giả, cũng như Giáo sư MIT Pablo Jarillo-Herreo, Giáo sư Ma Qiong của Đại học Boston và Giáo sư Mark Hersam của Đại học Northwestern.
Đồng thời, Nature cũng xuất bản một bài viết đánh giá có tiêu đề “Vật liệu 2D nâng tầm hiện thực sinh học trong điện toán”, giới thiệu sự đổi mới về cơ chế và hiệu suất tính toán tuyệt vời của thiết bị này.
Trong tương lai, với sự tiến bộ của công nghệ tăng trưởng vật liệu hai chiều quy mô wafer và cải tiến công nghệ xếp chồng vật liệu hai chiều được hỗ trợ bởi robot, bóng bán dẫn khớp thần kinh Moiré sẽ đạt được những bước đột phá mới trong sản xuất hàng loạt và sắp xếp.
Phần cứng mạng thần kinh dựa trên bóng bán dẫn khớp thần kinh Mohr sẽ có các đặc tính về hiệu suất cao, khả năng thích ứng và tiêu thụ điện năng thấp và có thể được sử dụng trong các lĩnh vực như thiết bị đeo thông minh, máy bay không người lái, lái xe tự động và thông tin lượng tử.
Trong tương lai, Yan Xiaodong và các cộng tác viên của ông sẽ kết hợp thiết bị điện tử xoắn, điện toán lấy cảm hứng từ não và AI để khám phá những đổi mới về vật liệu và cấu trúc của thiết bị siêu mạng Moiré, cải thiện hiệu suất thiết bị, giảm mức tiêu thụ năng lượng của thiết bị và thúc đẩy các mảng thiết bị quy mô lớn cũng như ứng dụng của các thiết bị đó trong lĩnh vực ánh sáng, điện, điện toán và các lĩnh vực khác.
Các thiết bị thần kinh là một trong những thành phần bán dẫn cần thiết để triển khai loại phần cứng mới này. Nó thu thập, lưu trữ và xử lý dữ liệu theo cách có thể điều chỉnh liên tục, mô phỏng hoạt động của các khớp thần kinh sinh học. So với các phương pháp tính toán kỹ thuật số truyền thống, nó có thể đạt được các chức năng tính toán tương tự với các chức năng được cập nhật và mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn.
So với các thiết bị thần kinh tương đối trưởng thành hiện nay, nó chủ yếu dựa trên cấu trúc của bóng bán dẫn memristor và memristor, và cơ chế dựa trên sự di chuyển của các ion bên trong vật liệu, bẫy điện tích, điều chế phân cực sắt và thay đổi pha.
Để có được vật liệu cốt lõi của các thiết bị như vậy thường đòi hỏi phải sử dụng lắng đọng hơi hóa học, phún xạ, lắng đọng lớp nguyên tử và các quy trình chuẩn bị khác.
Vì những lý do trên, loại thiết bị này chắc chắn sẽ gặp một số khó khăn như: không nhất quán giữa các thiết bị, tính ngẫu nhiên không thể kiểm soát, tốc độ chuyển đổi thấp, số lượng trạng thái lưu trữ hạn chế, v.v. Chỉ bằng cách giải quyết những vấn đề này, các thiết bị khớp thần kinh mới có thể thực sự được áp dụng trên quy mô lớn trong phần cứng AI.
Dựa trên điều này, Yan Xiaodong, trợ lý giáo sư của Khoa Vật liệu tại Đại học Arizona và các cộng tác viên của ông đã thoát khỏi những hạn chế của các cơ chế và quy trình chuẩn bị thiết bị truyền thống và phát triển một thế hệ thiết bị thần kinh mới dựa trên hệ thống vật liệu mới và các cơ chế vật lý.
Theo các báo cáo, siêu mạng Moiré là một hệ vật liệu mới nổi. Khi các vật liệu siêu mạng Moiré hai chiều được xếp chồng lên nhau ở những góc cụ thể, chúng biểu hiện những hiện tượng vật lý mới lạ.
Trong vài năm qua, các hiện tượng vật lý mới như tính siêu dẫn độc đáo, từ tính quỹ đạo và trạng thái tinh thể Wegener đã được phát hiện trong siêu mạng Moiré, điều này cũng tiết lộ các tính chất điện tử độc đáo của siêu mạng Moiré.
Tuy nhiên, những đặc tính này thường cần đạt được ở nhiệt độ helium lỏng cực thấp và không thể duy trì ở nhiệt độ phòng, khiến hệ thống vật liệu phong phú này khó liên kết với các ứng dụng thực tế.
Cho đến năm 2020, các nhà nghiên cứu từ Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) và Đại học Boston ở Hoa Kỳ đã phát hiện ra rằng có hiện tượng sắt điện độc đáo trong siêu mạng Moiré hBN/bilayer graphene (BLG, hBN/bilayer graphene) và có thể duy trì trong phòng. nhiệt độ.
Sau đó, tính chất sắt điện ở nhiệt độ phòng được phát hiện ở nhiều siêu mạng Moiré hơn, điều này cũng mang lại hy vọng cho ứng dụng thực tế của siêu mạng Moiré.
Trong bối cảnh đó, Yan Xiaodong và những người khác bắt đầu từ hiện tượng sắt điện độc đáo trong siêu mạng hBN/BLG Moiré và nhận ra bóng bán dẫn khớp thần kinh Moiré ở nhiệt độ phòng. Trong những tình huống phức tạp, nó có chức năng thực hiện các thuật toán AI.
Do đó, thế Mohr không đối xứng theo phương thẳng đứng sẽ khiến các hạt tải tuân theo một cơ chế mới trong việc chuyển đổi trạng thái kép và sau này họ đặt tên cho cơ chế này là cơ chế ghép nối điện tử.
Cơ chế bánh cóc được xác định bởi góc quay Moiré giữa hBN và BLG. Đây là một đặc tính cố hữu của siêu mạng hBN/BLG Moiré ở một góc quay cụ thể và không dựa vào việc đưa các khuyết tật, thay đổi pha, ranh giới hạt, v.v. vào một cách nhân tạo. vật liệu.
Do đó, việc chế tạo và mở rộng quy mô các bóng bán dẫn khớp thần kinh Moiré chỉ cần đảm bảo rằng các vật liệu hai chiều được xếp chồng chính xác ở một góc nhất định, nhờ đó tránh được tính ngẫu nhiên không thể kiểm soát của các thiết bị khớp thần kinh truyền thống do cơ chế vật lý và quá trình chuẩn bị gây ra, như cũng như các vấn đề không nhất quán giữa các thiết bị.
Theo cơ chế bánh cóc, những thay đổi trong phạm vi quét điện áp cổng và hướng quét có thể điều chỉnh các đặc tính vận chuyển của thiết bị. Dưới tác động của cổng trên, giá trị độ dẫn của thiết bị này có thể không ổn định và có thể điều chỉnh liên tục, đồng thời độ ổn định rất tốt nên có thể thực hiện nhiều thuật toán mạng thần kinh khác nhau.
Đồng thời, thiết bị này sử dụng cấu trúc bất đối xứng, cho phép cổng trên và cổng dưới đạt được các hiệu ứng điều khiển khác nhau trên thiết bị. Dưới tác động kết hợp của các cổng kép, thiết bị có khả năng cấu hình lại cao và dễ vận hành.Mạng lưới thần kinh dựa trên thiết bị này có thể mô phỏng nguyên lý Bienenstock–Cooper– mà các nơ-ron sinh học tuân theo khi học một cách cực kỳ đơn giản.
Đồng thời, thiết bị này còn có chức năng thích ứng để phản ứng với sự can thiệp từ bên ngoài, giúp tăng cường sự mạnh mẽ của AI và cho phép AI vẫn vận hành chính xác chức năng lái tự động của ô tô trong môi trường khắc nghiệt.
Trên thực tế, bóng bán dẫn khớp thần kinh Mohr không chỉ là một công cụ mạnh mẽ để hiện thực hóa khả năng tính toán giống như não bộ mà còn có đặc điểm là tiêu thụ năng lượng cực thấp.Một thiết bị duy nhất tiêu thụ khoảng 20 picowatt, rất có lợi cho việc hiện thực hóa năng lượng thấp. tiêu thụ năng lượng và mạng lưới thần kinh quy mô cực lớn. Do đó, nó có thể được sử dụng trong các tình huống mà nguồn cung cấp năng lượng bị hạn chế, chẳng hạn như thiết bị thông minh có thể đeo và máy bay không người lái.
Gần đây, một bài báo liên quan đã được xuất bản trên tạp chí Nature [1] với tiêu đề “Bóng bán dẫn khớp thần kinh Moiré với chức năng biến đổi thần kinh ở nhiệt độ phòng”.
Yan Xiaodong và nghiên cứu sinh tiến sĩ MIT Zhiren Zheng là đồng tác giả, cũng như Giáo sư MIT Pablo Jarillo-Herreo, Giáo sư Ma Qiong của Đại học Boston và Giáo sư Mark Hersam của Đại học Northwestern.
Trong tương lai, với sự tiến bộ của công nghệ tăng trưởng vật liệu hai chiều quy mô wafer và cải tiến công nghệ xếp chồng vật liệu hai chiều được hỗ trợ bởi robot, bóng bán dẫn khớp thần kinh Moiré sẽ đạt được những bước đột phá mới trong sản xuất hàng loạt và sắp xếp.
Phần cứng mạng thần kinh dựa trên bóng bán dẫn khớp thần kinh Mohr sẽ có các đặc tính về hiệu suất cao, khả năng thích ứng và tiêu thụ điện năng thấp và có thể được sử dụng trong các lĩnh vực như thiết bị đeo thông minh, máy bay không người lái, lái xe tự động và thông tin lượng tử.
Trong tương lai, Yan Xiaodong và các cộng tác viên của ông sẽ kết hợp thiết bị điện tử xoắn, điện toán lấy cảm hứng từ não và AI để khám phá những đổi mới về vật liệu và cấu trúc của thiết bị siêu mạng Moiré, cải thiện hiệu suất thiết bị, giảm mức tiêu thụ năng lượng của thiết bị và thúc đẩy các mảng thiết bị quy mô lớn cũng như ứng dụng của các thiết bị đó trong lĩnh vực ánh sáng, điện, điện toán và các lĩnh vực khác.
