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NEW 徐亨铎教授组，实现生物神经临摹人工突触
- 2020-08-07
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2020-07-06
我校徐亨铎教授研究组成功实现了模拟生物神经的人工突触元件。因此，有望利用仿制生物体神经传达的最小单位的高密度人工突触平台。
徐亨铎教授（新材料工学系，研究生院能源系统学系，照片）研究组成功实现了模仿生物神经的纳米规格的人工突触元件，并查明了动作原理。相关内容以"利用纳米大小的2系突触模拟器进行大脑模仿时空信息处理:固体状态记忆视觉化元件(Brain-like Spatiotemporal Information Processing with Nanosized Second-Order Synaptic Emulators; “Solid-State Memory Visualizer)"的论文刊登在纳米领域的国际学术杂志《纳米能源(Nano Energy, IF=16.602)》6月27日的网络版上。我校的朴志勇教授（物理学系）、金相完教授（电子工学系）和库马莫希特（Mohit Kumar）研究员也一同参与其中。
人类大脑的基本构成要素"突触"是指连接大脑的神经细胞（神经元）并传递信号的部位。即，在突触中交换神经传达物质，在神经细胞之间进行信号传达。最近为了利用多种新元件开发人工突触的研究正在进行。
但是，目前广泛使用的冯·诺依曼方式在能耗和速度方面存在局限。冯·诺依曼方式是将信息从存储器传送到中央处理器(CPU)，依次处理信息。以这种方式，记忆装置发生瓶颈现象，不仅处理速度变慢，而且能耗高，而且根据时空信息强度很难体现差别化记忆。
因此，在生物体神经传达的最小单位突触相似的纳米大小上，通过较低的电力也可以进行信号处理，因此一直要求开发能够根据刺激强度和持续程度控制长短期记忆，并将其高密度整合的人工神经网装置。为此，尤其需要明确理解单位突触元件运作的原理。
亚洲大学研究组为了人工实现生物体神经回路，用镍氧化物科（NiO）、锌氧化物（ZnO）组成的以异种结构为基础的人工突触组成元件。在异种接合界面控制材料的化学特性，模仿了生物体神经的离子信号传达方式。研究组通过这一方法，人为地形成了具有接受电子的受体作用的界面缺陷，通过根据外部刺激在界面缺陷中储存和控制电子移动的方式，实现了人体突触的"肠、短期记忆"方式。
徐亨铎教授解释说:"研究组尝试的新方式与现在广泛使用的非挥发性闪存的信息储存方式类似，或者根据输入信号强度或维护时间来控制储存的信息，因此具有差别化。"
接着，他补充道:"能够体现神经突触的所有典型特征，在生物神经回路和功能上非常相似。"
研究组通过有效利用同时开发的人工神经元件的均匀抵抗性开关行动，成功证明了人工突触的大小使用导电性原子显微镜（cAFM），缩小到约40纳米（1纳米나노10-9米）。与实际生物突触几乎相似的大小上，实现了人工突触功能。
研究组确认，除了作为人工神经元件的稳定动作外，在纳米级人工突触中，还可以像实际生物大脑的结构一样，通过无数人工突触的并联，实现人工智能所需的多阶段信号处理和实时学习规则（Bienstock, Cooper及Munro学习规则）。
徐亨铎教授解释说:"实际上，大脑是由100万亿个左右的突触并联的多发组成"，"因此，为了在人工突触元件中体现人工智能系统，个别人工突触元件可以摹写大脑的学习原理或多阶段信号处理"。
接着，徐教授补充道"通过这次研究，我们成功查明了与生物制突触类似的纳米制突触氧化物元件中人工制突触元件的驱动原理"，"期待它能够成为高密度人工智能元件平台"。
此次研究是在科学技术信息通信部、韩国研究财团主管的未来新元、少子技术源泉技术开发事业及中坚、基本基础研究支援事业的支援下进行的。
（上端）因强烈信号刺激而累积的电荷保存完好、记忆强化的形象（下端）因弱刺激导致电荷保存减弱、显示记忆消失的图像
（注：本文出现的所有人名均系音译）