科學家打造基于量子芯片的神經(jīng)儲存器有望用于自然語言處理任務

近日，沙特阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學何釗博士和所在團隊，打造了一種基于量子芯片的神經(jīng)儲存器，支持每平方厘米萬億個節(jié)點。

相比此前的同類系統(tǒng)，本次系統(tǒng)的網(wǎng)絡規(guī)模高出2～7個數(shù)量級。對于每個網(wǎng)絡節(jié)點來說，它都是由薄膜上的量子核化誘導的納米電路組成。

而這種薄膜則由相變材料構成，這讓單個讀出通道只需消耗0.07納瓦特的電功率。

相比此前的人造儲存器，這一新成果在電功率上降低了6個數(shù)量級，并且比人腦生物神經(jīng)元的效率高出1個數(shù)量級。

由于該芯片含有大量的神經(jīng)網(wǎng)絡節(jié)點，并擁有出色的功率效率，課題組結合其量子特性，開辟了一種新形式的硬件安全原語。

安全原語，是一個物理系統(tǒng)或設備，它能夠基于單向物理現(xiàn)象生成獨特且不可復制的數(shù)字指紋。

安全原語的強大功能，吸引了學界研究身份驗證系統(tǒng)的興趣。當前的身份驗證方法比如密碼和生物識別已被證明可被黑客攻擊，不再足以保護用戶。

而本次研究證明：通過神經(jīng)芯片可以打造一種新技術，由于受到量子力學法則的保護，因此不會被硬件克隆所影響。

對于當前和未公開的任何類型的人工智能攻擊，上述新技術都具有免疫性。

實驗結果顯示：其具有99.6%的可靠性、100%的用戶認證準確度以及較為理想的50%的密鑰唯一性。

其所擁有的量子特性，也比目前最好的技術高3倍以上，同時能在僅有1平方厘米的面積內(nèi)存儲2.1104萬多個密鑰。

在應用前景上：

其一，可以實現(xiàn)安全應用。

本次研究的芯片能幫助確保智能能源網(wǎng)絡等關鍵基礎設施拒絕未經(jīng)授權的訪問，助力實現(xiàn)技術深度滲透的智慧城市。

未來，假如在成熟度更高的技術階段，基于該芯片的原型能夠完成驗證，那么預計這項技術可以顯著遏制攻擊私人公司和政府機構的網(wǎng)絡犯罪行為。

其二，可用于自然語言處理任務。

比如，它能進行語言建模、情感分析、文本分類、機器翻譯和語音識別等。

基于儲存器的循環(huán)性質(zhì)，其非常適合用于處理文本等順序數(shù)據(jù)。與此同時，它還具備捕獲復雜模式的能力，這讓其能針對語言的細微差別進行建模。

基于芯片上神經(jīng)儲存器的大規(guī)模神經(jīng)網(wǎng)絡節(jié)點和高功率效率，其能在資源受限環(huán)境之中，開展實時的語言處理應用。

模擬對手，驗證攻擊

研究中，課題組選擇使用鍺銻碲系相變材料。原因在于：對于鍺銻碲材料的相變來說，可以通過電場、熱、光等多種方式進行誘導和控制。

另外，鍺銻碲材料具備較快的相變速度和非揮發(fā)性相變過程特性，更加適合于本次課題的開展。

而在制造芯片的時候，為了消除不均勻基底的影響，他們使用單面拋光的硅片作為原始基底。

然后，在硅片上沉積一層薄薄的二氧化硅，來作為最終的支撐基底，借此消除硅作為半導體對于電信號測試的影響。

隨后，則需要對鍺銻碲薄膜進行沉積。對于這一步驟來說，并沒有可以參考的操作參數(shù)。

因此，他們需要事先總結參數(shù)，特別是總結厚度和時間這兩個參數(shù)，然后選擇適當?shù)某练e時間，以便獲得相應的厚度。

而在電極制備這一步驟，則需要基于芯片的電流-電壓檢測，在任意不同的電極點之間進行電路連接。

這也意味著，電極本身必須是隔離的、并且不能連接。為此，課題組制備了一種光刻掩膜版，在光刻技術的幫助之下，將用于沉積電極的位置暴露出來。

金具有良好的導電性，因此該團隊將其選為電極材料。

在沉積金膜之前，他們先是沉積一層薄薄的鈦膜。鈦膜沉積的好處在于有助于減少金膜在使用中由于溫度變化、應力和其他因素導致的剝離或脫落。

接著，他們沉積了80納米和120納米厚度的薄金膜。但是，即使使用鈦膜來作為中間層，金膜在光刻膠的顯影過程中仍會出現(xiàn)剝離，于是他們二次返工制備了更厚的金膜。

芯片上的引線鍵合工藝，則涉及到通過引線鍵合設備來使用微米級的金線，從而將芯片電極連接到電路板。

然而，焊接參數(shù)、溫度控制、壓力控制、焊接速度、氣氛控制和金膜厚度等因素，都會影響引線的鍵合過程。

為此，經(jīng)過長達幾個月的探索，他們終于確定了適宜的設備參數(shù)。

在性能表征這一階段，課題組使用高分辨透射電子顯微鏡來對鍺銻碲薄膜的微觀結構進行表征。

在微觀水平上，鍺銻碲薄膜主要由非晶結構和少量直徑在5～7納米的晶態(tài)區(qū)域組成。

研究中，布里淵區(qū)的晶格數(shù)據(jù)顯示，鍺銻碲材料具有多晶的性質(zhì)。

與此同時，他們又使用導電探針原子力顯微鏡設備，在納米尺度上測試了器件的電性能。

結果顯示，測試圖像中每個點的相干區(qū)域為8納米×8納米的單個像素。

通過分析電壓與電阻的變化，課題組發(fā)現(xiàn)當電壓增加時，電阻會減小1～4個數(shù)量級。

這不僅遵循冪律的行為規(guī)律，并且微觀演變會出現(xiàn)連續(xù)性的變化，材料也顯示出從非晶態(tài)到晶態(tài)的轉(zhuǎn)變。

在原位高分辨率透射電子顯微鏡的幫助之下，他們跟蹤了鍺銻碲薄膜在加熱過程中的情況。

結果發(fā)現(xiàn)，已有晶體的生長以及新的量子尺寸的晶體在熱刺激之下的生長過程，導致鍺銻碲薄膜內(nèi)部發(fā)生了變化。

為此，他們在探針臺的幫助之下，針對量子芯片進行電流-電壓的測試。

通過此他們觀察到，非晶態(tài)鍺銻碲薄膜的參數(shù)，開始出現(xiàn)可重現(xiàn)、可連續(xù)調(diào)制的特性。

而來自非晶薄膜的量子尺度核聚變，會產(chǎn)生納米電路。下一步是開發(fā)一個理論模型，以支持這樣一種假設：一個物理儲層能夠支持源自非晶薄膜量子尺度成核的納米電路通信。于是，他們決定利用這一特性來開發(fā)安全的基礎設備，并投入資源進行該應用的研究。

基于此，該團隊成功開發(fā)出一款認證系統(tǒng)，包含安全密鑰生成和安全密鑰認證這兩個部分。其中，密鑰生成遵循“挑戰(zhàn)—響應”的模型。

在芯片輸入上，他們給定的是二進制的挑戰(zhàn)字符串。在芯片輸出上，他們則通過使用深度神經(jīng)網(wǎng)絡，來將響應信號轉(zhuǎn)換為二進制密鑰字符串。

隨后，課題組設計了一個驗證網(wǎng)絡。在設計驗證網(wǎng)絡的時候，不但要做到讓認證服務器僅僅保留挑戰(zhàn)字符串，并且要確保沒有任何部分能夠存儲一次性密鑰。

基于這一驗證網(wǎng)絡，他們開展了密鑰認證，并通過針對系統(tǒng)進行建模，模擬了一個“對手”。

這個“對手”不僅非常了解系統(tǒng)的特性，而且能夠復制除了神經(jīng)儲存器以外的所有經(jīng)典組件。

基于這一“對手”，他們評估了系統(tǒng)對于統(tǒng)計推理的抵抗能力。結果表明，攻擊者根本無法預測相關的認證實例。

導師：“你們可能發(fā)現(xiàn)了更重要的東西”

另據(jù)悉，在制備上述量子芯片時，課題組表示存在一些運氣成分。

這項研究原本是要圍繞顯示應用開發(fā)一種新型光學相變材料。然而，在沉積過程之中，他們通過透射電子顯微鏡發(fā)現(xiàn)，利用最初在沉積儀器中所使用的條件，并沒有得到均勻的薄膜，而是得到了一個非晶系統(tǒng)，該非晶系統(tǒng)由隨機聚集的晶粒組成。

因此，當他們獲得第一批樣品時，所有人都感到非常沮喪，因為沒有一個樣品達到預期效果。

經(jīng)過幾次嘗試之后，他們幾乎打算放棄本次項目。然而，當向?qū)熣故具@些初始結果時，導師告訴他們：“你們可能發(fā)現(xiàn)了一些更重要的東西。”

于是，該團隊開展了一次電子測量，盡管出現(xiàn)了異常復雜的物理現(xiàn)象，但是初步結果看起來不錯。

又經(jīng)過大約一年之久，借助高分辨透射電子顯微鏡、原子力顯微鏡、拉曼光譜學等手段，他們在原子尺度開展了多次調(diào)查，終于理解了本次系統(tǒng)的工作機制，并打造出了上述安全認證系統(tǒng)。

后續(xù)，課題組計劃開發(fā)一個神經(jīng)芯片的集成解決方案。在目前的方案之中，是由探針臺來控制芯片的操作，這限制了在毫秒級范圍內(nèi)調(diào)制系統(tǒng)響應速度的能力。

預計在改進之后，將能夠進行信息的實時處理，從而提高設備的運行速度和功率效率。（綜合整理報道）（策劃/小文）