《MIT研究人员将数万个人工大脑突触放在一块芯片上》

  • 来源专题:集成电路
  • 编译者: shenxiang
  • 发布时间:2020-06-18
  • 据外媒Neowin报道,来自麻省理工学院(MIT)的研究人员展示了一种新颖的电子装置的记忆电阻器(Memristor)设计,它可以模仿大脑的神经架构来处理信息。从本质上讲,麻省理工学院的“芯片上的大脑”比一张纸屑还小,但却容纳了数以万计的硅基元件(称为忆阻元件),这些元件可以模仿人脑中的信息传输突触。这种“芯片上的大脑”是神经形态设备大家族的一部分,它从大脑的神经突触中获得灵感,以执行复杂的计算任务。

    现有的记忆电阻器设计在电压刺激大量离子从一个电极流向另一个电极--一个大的传导通道的情况下工作良好。但这些设计在较薄的传导通道中缺乏可靠性。来自麻省理工学院的团队在工作中解决了这一特殊领域的问题。为了开发这种新颖的设计,他们从冶金学中借用了一个关键概念,基本上是指合金与其组成金属相比具有不同的物理特性。

    受此启发,研究人员将银与铜结合在一起,制成膜电阻的正电极,并使用硅制成其负电极。这种巧妙的设计选择使得离子能够沿着薄的传导通道进行一致而可靠的传输。“他们将两个电极夹在非晶硅介质周围。通过这种方式,他们图案化了一个毫米见方的硅芯片,其中有数以万计的忆阻元件。”

    在神经变形装置准备好后,研究人员用它来“记忆和重现”美国队长盾牌的灰度图像。为此,他们将图像中的每个像素等同于芯片中对应的忆阻元件,然后调制每个忆阻元件的电导,其强度与对应像素中的颜色相对。

    在这项测试中,与其他材料制成的芯片相比,神经形态芯片的表现更好。他们还对其进行了图像处理任务。然而,该器件再次能够超越竞争性的记忆电阻器设计,可靠而有效地锐化和模糊了麻省理工学院基利安庭院(Killian Court)的图像。

    该团队的研究成果已经发表在《自然》杂志上。

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    • 麻省理工学院的工程师们设计了一种“大脑芯片”,比一块五彩纸屑还要小,它是由成千上万个被称为忆阻器的人工大脑突触组成的。忆阻器是一种硅基组件,模仿人类大脑中信息传递的突触。 研究人员借鉴了冶金原理,用银、铜和硅的合金制造了每个忆阻器。当他们让芯片完成几个视觉任务时,芯片能够“记住”存储的图像并多次复制它们,与现有的纯元素忆阻器设计相比,这些版本更清晰、更干净。 他们的研究结果发表在今天的《自然纳米技术》杂志上,展示了一种很有前途的新型神经形态器件忆阻器设计——这种电子器件基于一种新型电路,以模仿大脑神经结构的方式处理信息。这种受大脑启发的电路可以被植入小型便携式设备中,执行只有今天的超级计算机才能处理的复杂计算任务。 到目前为止,人工突触网络是以软件的形式存在的。我们正试图为便携式人工智能系统构建真正的神经网络硬件,”麻省理工学院机械工程副教授Jeehwan Kim表示。“想象一下,将一个神经形态装置连接到你车上的摄像头,让它识别灯光和物体并立即做出决定,而无需连接到互联网。我们希望使用节能的忆阻器来现场实时地完成这些任务。” 流浪的离子 忆阻器,或记忆晶体管,是神经形态计算的基本元素。在神经形态器件中,忆阻器将充当电路中的晶体管,尽管它的工作方式更类似于大脑突触——两个神经元的连接点。突触从一个神经元接收到离子形式的信号,然后向下一个神经元发送相应的信号。 传统电路中的晶体管通过在0和1这两个值中的一个之间切换来传输信息,并且只有当它接收到的电流信号具有一定强度时才这样做。相比之下,记忆电阻器会沿梯度工作,就像大脑中的突触一样。它产生的信号会根据它接收到的信号的强度而变化。这将使单个忆阻器具有多个值,因此比二元晶体管执行范围更广的操作。 和大脑突触一样,忆电阻器也能够“记住”与给定电流强度相关的值,并在下一次接收到类似电流时产生完全相同的信号。这可以确保一个复杂方程的答案或物体的视觉分类是可靠的——这一壮举通常涉及多个晶体管和电容器。 最终,科学家们设想记忆电阻器将比传统晶体管需要更小的芯片面积,使功能强大的便携式计算设备不依赖超级计算机,甚至不连接互联网。 然而,现有的忆阻器设计在性能上是有限的。一个单忆阻器是由一个正电极和一个负电极组成,由一个“开关介质”或电极之间的空间隔开。当一个电极被施加电压时,离子从该电极流过介质,形成一个“传导通道”到另一个电极。接收到的离子构成了记忆电阻器通过电路传输的电信号。离子通道的大小(以及忆阻器最终产生的信号)应与刺激电压的强度成正比。 Kim说,现有的记忆阻电阻器设计在电压刺激一个大的传导通道或者从一个电极到另一个电极的大量离子流动的情况下工作得很好。但是当忆阻器需要通过更薄的传导通道产生更微妙的信号时,这些设计就不那么可靠了。 传导通道越薄,从一个电极到另一个电极的离子流动越轻,单个离子就越难保持在一起。相反,他们倾向于离开群体,在媒介中解散。因此,在一定的小范围电流刺激下,接收电极很难可靠地捕获相同数量的离子,从而传输相同的信号。 借用冶金 金和他的同事们通过借鉴冶金学的一项技术找到了绕过这一限制的方法。冶金学是将金属熔合成合金并研究其综合性能的科学。 金说:“传统上,冶金学家试图在大块基质中加入不同的原子来强化材料,我们想,为什么不调整忆阻器中的原子相互作用,加入一些合金元素来控制介质中离子的运动。” 工程师通常使用银作为忆阻器正极的材料。金的研究小组查阅了文献,寻找一种可以与银结合的元素,有效地将银离子结合在一起,同时使银离子快速流经另一个电极。 研究小组认为铜是理想的合金元素,因为它能与银和硅结合。 金说:“它起到了桥梁的作用,稳定了银硅界面。” 为了用他们的新合金制造忆阻器,研究小组首先用硅制造了一个负极,然后通过沉积少量铜制造了一个正极,接着是一层银。他们把两个电极夹在非晶硅介质周围。就这样,他们用成千上万的忆阻器制成了一毫米见方的硅芯片。 作为芯片的第一次测试,他们重现了美国队长盾的灰色图像。他们将图像中的每个像素等同于芯片中相应的忆阻器。然后,他们调整了每个记忆电阻的电导,这些电导的强度与相应像素的颜色有关。 与其他材料制成的芯片相比,该芯片能产生同样清晰的盾牌图像,并能“记住”图像并多次复制。 研究小组还对芯片进行了图像处理,对记忆电阻编程以改变图像,在这个MIT的Killian Court案例中,采用了几种特定的方式,包括锐化和模糊原始图像。同样,他们的设计比现有的忆阻器设计更可靠地产生了重新编程的图像。 “我们使用人工突触来做真正的推理测试,”Kim说。“我们希望进一步发展这项技术,使其拥有更大规模的阵列来完成图像识别任务。有一天,你可能可以携带人工大脑来完成这些任务,而不需要连接到超级计算机、互联网或云。” 这项研究的部分资金来自麻省理工学院研究支持委员会基金、麻省理工学院- ibm沃森人工智能实验室、三星全球研究实验室和美国国家科学基金会。
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技术/创新:美光在其整个历史中已贡献了近44,000项专利。它创造了世界上最先进的DRAM处理技术,美光的X100 NVMe SSD –最快的NoSQL数据库,可提高AeroSpike的性能。 全球市场:美光科技公司总部位于美国博伊西,在17个国家/地区拥有43个办事处,拥有34,000名员工。 收入:2020财年收入为214.4亿美元。 4、德州仪器公司 德州仪器(TI) 是一家全球半导体公司,致力于为工业,汽车,个人电子产品,通信设备和企业系统等市场设计,制造,测试和销售模拟和嵌入式处理芯片。 产品:TI的主要产品包括放大器,音频,时钟和定时,数据转换器,管芯和晶片服务,DLP产品,接口,隔离,逻辑,微控制器(MCU)和处理器,电机驱动器,电源管理,射频和微波,传感器,空间和高可靠性,开关和多路复用器,无线连接以及计算器和教育技术。 技术/创新:公司在全球拥有45,000项专利。他们正在与Cobots和Machine Learning一起为电动汽车的无线电池管理系统创建新的解决方案。 应用:它们在工业领域(航空航天和国防,网格基础设施,医疗,照明等),汽车,通信设备,企业系统,个人电子产品,安全性和物联网等领域具有应用程序。 全球市场:TI在全球拥有14个生产基地,拥有10个晶圆厂,7个组装和测试工厂,以及多个凸块和探针工厂,拥有30,000名员工。该公司总部位于美国达拉斯。 收入:德州仪器(TI)2020财年的收入为144.61亿美元。 5、英伟达公司 Nvidia Corporation是一家技术公司,主要为游戏行业设计和制造图形处理单元(GPU)而闻名。 产品:Nvidia提供的产品包括图形卡,笔记本电脑,G-sync显示器和GEFORCE NOW云计算游戏。 应用:公司开发了基于GPU的深度学习,以使用人工智能解决诸如癌症检测,天气预报,自动驾驶汽车,竞争性游戏,专业可视化,深度学习,加速分析和加密货币挖掘等问题。 创新/技术:Nvidia拥有7,300项专利资产。它已经成功开发了诸如企业与开发人员(CUDA,IndeX,Iray,MDL),游戏(GameWorks,G-syncBattery Boost),架构(Ampere,Volta,Turing)和行业技术(AI计算,深度学习,ML)的技术。它正在研究3D深度学习,应用研究,人工智能和机器学习,计算机图形学,电子竞技,医学,网络等。 全球市场:NVIDIA总部位于美国圣塔克拉拉,在28个国家/地区拥有57个办事处,拥有9,100名员工。 收入:2020财年收入为109.2亿美元。 6、AMD AMD ( Advanced Micro Devices)是一家全球半导体公司,致力于开发高性能计算和可视化产品,以解决世界上一些最棘手和最有趣的挑战。 产品:台式机和移动处理器,业务系统处理器,服务器处理器,图形卡,Pro Graphics,服务器加速器,嵌入式图形,嵌入式图形和嵌入式合作伙伴目录。 应用:AMD专注于本能和身临其境的计算,以及该技术如何释放机器学习和其他高性能计算应用程序的能力,以应对重要的全球性挑战,包括医疗,教育,制造,科学研究和安全性。 技术/创新:它在全球拥有8000项已发布的专利。它正在研究高性能计算(HPC),高级内存技术,低功耗和机器智能等领域。 全球市场:AMD总部位于美国圣塔克拉拉,在23个国家/地区设有38个办事处,在全球拥有11,400多名员工。 收入:该公司2020财年的收入为97.6亿美元。 7、ADI ADI公司在设计,制造和营销几乎所有类型的电子设备中使用的高性能模拟,混合信号和数字信号处理(DSP)集成电路(IC)方面处于世界领先地位。 产品:ADI公司提供广泛的产品组合,包括放大器,模拟功能,A / D转换器(ADC),音频和视频产品,时钟和定时,D / A转换器(DAC),高速逻辑和数据路径管理,工业以太网,接口与隔离,功率监控,控制与保护,光通信与传感,电源管理,处理器与微控制器,射频与微波,传感器与MEMS以及开关与多路复用器。 应用范围:ADI公司按航空航天与国防,汽车,建筑技术,通信,消费者,数据中心,能源,医疗保健,工业自动化,测量仪器和测量以及安全与监视等细分市场提供相关技术和解决方案。 技术/创新:它在全球拥有超过47,000项专利。它一直在研究3D飞行时间(ToF),5G,A 2 B音频总线,网络安全,GaN(氮化镓),物联网(IoT),探测器(LIDAR)解决方案,MEMS开关,OtoSense,雷达系统, RadioVerse,RF领导者,传感器接口和SmartMesh。 全球市场:总部位于美国诺伍德,在30多个国家/地区拥有15,900名员工。 收入:ADI 2020财年收入为56亿美元。 8、安森美半导体 安森美半导体是基于半导体的解决方案的领先供应商,提供全面的产品组合,包括节能连接,传感,电源管理,模拟,逻辑,定时,分立和定制设备。 产品:存储器,音频/视频ASSP,接口,标准逻辑,微控制器,离散和驱动器电源管理,定时和信号调理,隔离和保护设备,放大器和比较器,传感器,宽带隙电源模块,连接性,光电,定制代工服务,SoC,SiP和定制产品。 应用范围:用于航空航天和国防,汽车,工业和云电力,物联网,医疗和个人电子产品。 技术/创新:安森美半导体正在从事汽车,物联网(IoT),创新以及工业和云电源领域的研究。 全球市场:总部位于美国亚利桑那州,在24个国家/地区拥有74个办事处,拥有34,000名员工。 收入:安森美半导体2020财年的收入为53亿美元。 9、微芯科技 Microchip Technology是工业,汽车,消费,航空航天和国防,通信和计算市场上智能,连接和安全的嵌入式控制解决方案的领先提供商。 产品:微控制器和微处理器,模拟,航空航天和国防,放大器和线性,时钟和定时,数据转换器,嵌入式控制器和超级I / O,铸造服务,FPGA和PLD,高速网络和视频,接口和连接性,LED驱动程序和背光,内存,电源管理,以太网供电,安全IC,传感器,智能能源/计量,存储,同步和计时系统,触摸和手势以及无线连接。 应用范围:它们用于医疗,航空航天与国防,音频与语音,汽车,电池管理,CAN,显示器,计算,以太网,物联网,照明,计量,USB,无线与网络,家用电器等领域。 技术/创新:他们一直致力于汽车应用的高端电流检测放大器,汽车以太网音频视频桥接(AVB)的第一个全集成解决方案,以太网交换机,机器学习和超大规模计算基础设施以及三模式存储控制器。 全球市场:Microchip总部位于美国钱德勒,在28个国家/地区拥有67个办事处,拥有18,000多名员工。 收入:Microchip 2020财年的收入为53亿美元。 10、Xilinx公司 Xilinx Inc.是一家技术公司,主要是可编程逻辑器件的供应商。该公司发明了现场可编程门阵列。正是半导体公司创造了第一个无晶圆厂制造模型。 产品:设备(ACAP,FPGA和3D IC,SoC,MPSoC和RFSoC),评估板和套件(评估板,SoM),加速器(数据中心加速器卡,计算存储,SmartNIC和Telco),以太网适配器(8000系列)以太网,X2系列以太网),软件开发工具(Vitis软件平台,Vitis AI),硬件开发,嵌入式开发,核心技术(3D IC,配置解决方案,连接性,设计安全性,DSP,以太网,ML,内存,RF采样)和加速的应用程序。 应用范围:航空航天与国防,汽车,广播与Pro A / V,消费电子,数据中心,仿真与原型设计,工业,医疗保健/医疗,测试与测量,有线与无线通信。 技术/创新:它拥有4400项专利,主要针对高端现场可编程门阵列(FPGA)。目前,它正在研究高级设计流程,异构多核体系结构,网络处理,信号处理以及嵌入式系统和FPGA中的高级应用程序。 全球市场:Xilinx总部位于美国圣何塞,在8个国家/地区拥有12个办公地点,拥有5000多名员工。 收入:2020财年的收入为31.6亿美元。 美国的优势与劣势 全球销售市场份额的领先地位还使美国半导体产业能够从良性循环的创新中受益。销售领导地位使美国工业界可以对研发投入更多,这反过来又有助于确保美国继续保持销售领导地位。只要美国半导体行业在全球市场份额中保持领先地位,它将继续从这一良性创新循环中受益。 美国半导体公司在商业模式和子产品方面是市场领导者,但是对于某些商业模式细分市场,美国产业落后于其亚洲竞争对手。美国半导体行业在逻辑和模拟半导体的销售方面保持着市场份额的领导地位。但是,对于存储器和分立半导体,其他国家的行业处于领先地位。 同样,就商业模式而言,美国在某些领域领先,但并非全部。 例如,亚洲继续主导着半导体生产的外包方面。近80%的半导体晶圆厂和组装/测试业务集中在亚洲。尽管全球供应链为该行业带来了价值和效率的提升,但它们也突显了美国需要考虑在这一领域进行战略投资的必要性。 美国技术竞争力:美国半导体行业是先进半导体芯片设计领域无可争议的技术领导者。这包括AI所需的平台技术,在微处理器,图形芯片和可编程逻辑处理器中占有主要市场份额。当今用于前沿逻辑应用的最先进的IC使用10纳米(nm)技术,并在芯片上封装了超过200亿个晶体管,尺寸约为四分之一。美国在5G相关半导体的关键设计中也处于有利地位,在支持无线通信,网络管理和数据存储的芯片中处于领先地位。最后,美国公司正在领导努力开发用于自动驾驶汽车的新芯片,包括先进的图像传感器,数据处理器和车载雷达。 美国半导体行业的研发支出一直很高,反映出美国市场份额领先地位与持续创新之间的内在联系:从1999年到2019年,美国半导体行业的研发支出以大约6.6%的复合年增长率增长。无论年销售额的周期如何,它始终保持较高的水平,这反映了对半导体生产进行研发投资的重要性。2019年,美国半导体行业在研发上的总投资总额为398亿美元。 美国半导体制造商在美国的制造基地保持最多,比其他任何国家都多:2019年,总部位于美国的公司的前端半导体晶圆产能中约有44%位于美国。美国总部位于美国的前端半导体晶圆厂产能的其他领先地点是新加坡,中国台湾,欧洲和日本。值得注意的是,与其他主要市场相比,中国大陆在前端制造方面吸引的美国投资更少。不幸的是,在过去十年中,海外芯片制造业的平均增长率是美国的五倍。这主要是由于各国实施了强有力的激励计划以吸引半导体制造业。 美国半导体创新政策格局 为了确保美国在全球半导体行业中继续保持领导地位,美国必须采取雄心勃勃的竞争力和创新议程。 研究: 美国对联邦科学机构在半导体特定研究方面的投资增加了三倍,从每年约15亿美元增加到50亿美元,以推进将极大提高芯片性能的新材料,设计和架构。 美国在联邦科学机构对半导体相关领域(例如材料科学,计算机科学,工程学和应用数学)的研究投资增加了一倍,以推动半导体技术的飞跃式创新,这些创新将驱动未来的关键技术。 国内制造业: 建立新的制造业资助计划,以刺激美国新的陆上先进半导体制造设施的建设,其中包括领先的逻辑代工厂,先进的存储器和模拟晶圆厂,以提供国防,关键基础设施和更广泛的基本商业需求。 提供半导体制造税收优惠政策,例如购买新的半导体制造设备可退还的投资税收抵免。 员工人数: 改革高技能的移民制度,使美国高等院校的合格STEM毕业生以及世界各地的STEM毕业生可以工作,创新并为美国在半导体行业的领导地位做出贡献,并促进我们的经济发展。 将美国对STEM教育的投资增加50%,并实施一项全国STEM教育计划,到2029年使美国STEM毕业生的数量增加一倍。 贸易与知识产权: 批准自由贸易协定并使之现代化,包括《美国墨西哥-加拿大协定》,以消除市场障碍,保护知识产权并促进公平竞争。 为执法和情报机构增加资源,以防止和起诉包括盗用商业秘密在内的半导体知识产权盗窃案。