石墨烯电容器能将神经形态芯片架构和光电子完美结合

倩倩 发表于 2017-12-02 09:42:53 收藏 已收藏
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石墨烯电容器能将神经形态芯片架构和光电子完美结合

倩倩 发表于 2017-12-02 09:42:53

      石墨烯超级电容器简介

  石墨烯超级电容器为基于石墨烯材料的超级电容器的统称。由于石墨烯独特的二维结构和出色的固有的物理特性,诸如异常高的导电性和大表面积,石墨烯基材料在超级电容器中的应用具有极大的潜力。石墨烯基材料与传统的电极材料相比,在能量储存和释放的过程中,显示了一些新颖的特征和机制。

  石墨烯超级电容器是一种特殊的电容器,拥有异常高的导电性和大表面积,在能量储存和释放的过程中比同类产品有较高的优越性。

     神经形态技术

  神经形态技术将是高性能计算的下一个发展阶段,它能够大幅提升数据处理能力和机器学习能力。IBM公司2014年8月所公布的百万神经元级别的TrueNorth芯片,在执行某些任务时,其能效可达传统中央处理器的数百倍,首次与人脑的大脑皮层有了可比之处。神经形态芯片计算能力显著提高,能耗和体积却要小得多,更为智能的小型机器或将引领计算机微型化和人工智能的下一阶段。

  目前,哪怕最先进的超级计算机,其复杂程度也无法与人脑相媲美。计算机是线性的,主要依靠高速中枢,在中央处理器和存储芯片之间实现数据的来回移动。相比之下,人脑则处于全方位的互联状态,人脑中的逻辑和记忆紧密关联,其密度和多样性均是现代计算机的数十亿倍。神经形态芯片旨在用与传统硬件完全不同的方式处理信息,通过模仿人脑构造来大幅提高计算机的思维能力与反应能力。

     石墨烯电容器将神经形态芯片架构和光电子的结合

  由于神经形态芯片能够比冯诺依曼结构芯片更快更好地处理传感器数据(如图像、视频、声音等),所以对这些由晶体管网络构成的芯片研究成为了新的热点话题。 多年来,科学家们一直在尝试进一步探究神经形态的电路架构。而其中的难点就在于如何处理神经元和硅之间的重叠部分——突触以及逻辑门。从光电子学上讲,就 是光子穿过激光晶体管和突触间隙神经递质时的跨越处。

  如今,普林斯顿大学的研究人员展示了一种石墨烯材质的光学电容器。这种光学电容器能够保证光学神经形态电路中激光晶体管的稳定工作。

  但是目前,仍有一些关键性的差异问题在阻碍着人们成功制造出一个可以像大脑一样工作的处理器。

  例如,我们知道芯片中的神经元之间是通过电位移动或峰电位来传递信息的,而峰电位是非0即1的二进制,所以人们必须在时域就对信息进行编码。但一个神经元的放电频率并不仅受限于中央时钟周期,而且神经元的放电频率只有在发送时才会对信号的强度进行编码。

  但是正因为神经元是模拟系统,所以在理论上由它们制成的芯片可以达到非常快的计算速度。而冯·诺依曼结构芯片的时钟频率却是有极限值的,所以早晚有一天会被淘汰掉,科学家们必须找到其他方法来使计算速度更上一层楼。

  而最近的一份研究报告显示,把石墨烯融入激光之中是一个可行的解决方案。这将能够使得石墨烯“捕获”光子,并把它变成一种光学电容器。当光学电容器以这种方式递增时,激光能够以皮秒的速度“飙升”。

  IEEE指出:“事实证明,石墨烯是一个非常理想的饱和吸收体。因为它能够以非常快的速度吸收并释放光子,而且它还能在任何波长下工作,所以无论发射何种颜色的激光都可以被完美吸收,并且还不会互相干扰。”

  也就是说,这种“石墨烯海绵”能够在激光中更好的吸收光电子,而且还可以被用来同时输出多个不同波长的光子,不会受到任何干扰。

  石墨烯电容器能将神经形态芯片架构和光电子完美结合

  在摩尔定律的最后,模拟神经元和神经回路的设计理念可以为处理器带来更为优越的功耗比和可伸缩性。在光电子学中,光导纤维和激光晶体管是实现这一理念的理想方法,因为光子的移动速度比电子更快。

  而在最新的自然科学报告中表明,石墨烯电容器能够将神经形态的芯片架构和光电子完美结合。

  但不要高兴太早,我们可能还要在未来面临下一个严峻的问题:模拟神经形态电路阵列的激光晶体管能否有足够快的速度来处理从传感器得到的数据。

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