芯片可以拷贝大脑构想？ 下一场技术革命或将由“芯”引爆

近日，国际顶级期刊《自然•电子学》(NatureElectronics)刊登了由三星顶尖工程师联合哈佛大学研究人员共同创作的前沿学术论文，题为《基于复制和粘贴大脑的神经形态电子学》。论文提出了研发模拟人脑芯片的愿景，通过复制大脑神经元，让电子芯片实现近似于人类大脑的独特计算特性，带来低功耗、易学习、适应环境等能力，甚至还将拥有一定自主性与认知力。这一科技感十足的构想，再度展现了三星在半导体芯片等技术研发领域的超前实力。

三星以前瞻性技术研发为行业永续动力

在人工智能技术被广泛应用的今天，围绕它的前瞻技术研发愈加深入，这其中的类脑芯片研究更备受重视。

作为人类重要的运算器官，大脑拥有庞大的算力，拥有至少1000亿个神经元，数量约等于银河系中的恒星数。这些神经元又构成10-15个神经连接，将复杂相连的神经首尾相接，总长度超过18万公里。而具备超强的学习能力和低功耗性，也是类脑芯片研究领域一直追求的目标，但实现的过程极具挑战。因为科学家至今都对神经元如何相互连结，以构筑人脑复杂功能所知甚少。但这并不妨碍科技工作者以大脑为“启发”，研制具有大脑神经网络结构和功能的电子芯片。

在三星与哈佛此次联合发表的论文中就提到了其研究目标——大脑逆向工程的神经形态学，为类脑芯片领域的研发提供可能。论文指出，纳米电极阵列能有效进入大脑神经元，并以极高灵敏度记录电流信号，进而掌握神经元相互连结的位置及相互连结的强度。从这些记录中，研发人员可以提取或“复制”神经元连接图，并将其“粘贴”至非挥发性记忆体（Non-Volatile Memories）上，例如日用固态硬盘（SSD）中的商业闪存，或可变电阻式记忆体（RRAM）等新型记忆体等，再藉由对各记忆体的编程，使其得以利用传导性，重现被复制连线图的神经元连结强度。

三星顶尖工程师联合哈佛大学研究人员提出了研发模拟人脑芯片的愿景

论文还指出，人类大脑至少有1000亿个神经元，而它们形成的突触连接更是神经元数量的1000倍以上。因此，最终用于“复制”的神经形态芯片，将具备存储100万亿个虚拟神经元和突触数据的容量。

对此，三星电子表示，三星主导的“3D集成技术”开创了存储器产业的新时代，可以使得在一个芯片上集成如此多的存储芯片成为可能。未来，利用在半导体制造领域的领先经验，三星还将继续进行神经工学研究，以扩大在下一代人工智能半导体领域的领先地位。

通过论文，人们已经足以直观感受到三星类脑芯片的研发实力。而在通往人工智能化未来的路上，三星所做的探索还有更多。

例如，三星已成功开发业界首款整合人工智能处理能力的高带宽存储器HBM-PIM。每个存储库内都加入了DRAM优化AI引擎，可直接提供数据储存位置所需的处理能力，能做到并行处理还可大幅降低数据移动。这突破了业界所讨论的冯诺伊曼瓶颈，可加速数据中心大规模数据运作、高效能运算系统以及AI移动应用的处理速度，带来超过两倍的系统效能，并降低近70%的耗电量。

同时在被称为“集成电路界奥林匹克”的ISSCC（国际固态电路会议，是世界学术界和企业界公认的集成电路设计领域最高级别会议）上，三星被录取的论文数量也充分反应了其在该领域的亮眼成绩。在ISSCC 2020会议上，三星共有13篇论文入选。今年的ISSCC，三星多篇论文获奖，内容涉及图像传感器、3nm、存储器、AI芯片和领先的5nm手机SoC及数据转换器等多个领域。

得益于在科研领域的研发积累，三星在推动行业前瞻性技术迈向商业化生产应用的过程中贡献卓著。例如，在近些年备受业界关注的晶圆代工及CIS研发等方面就有所体现。

从晶圆代工到CIS研发，看三星技术的快人一步

作为晶圆代工企业中的领军者之一，三星将创新力转化为推动行业进步的技术，不断迭代晶圆的生产工艺，满足市场对高性能芯片的需求，更突破行业专家所认为的极限。

在近日举办的三星晶圆代工论坛上，三星宣布公司的3nm世代工艺GAE 将于 2022 年投入量产，3nm世代的3GAP则将在2023年量产，2nm世代的2GAP工艺将于2025年面世。尤其在3nm上，三星将实现被业界一致看好的Gate-All-Around晶体管技术，这一技术能延续现有半导体的技术路线、增强栅极控制能力、克服当前技术的物理缩放比例和性能限制，将为今后数据中心和人工智能等领域发展提供有力的技术支持。

在CIS（接触式图像传感器）研发方面，三星的表现也同样出色。当智能手机的创新力逐渐步入瓶颈，手机厂商都将发展目光投向了手机摄像头领域。这成为各家CIS供应商不断升级技术的驱动力，但就在业界竞争者深耕几千像素的摄像头时，三星率先将CIS推进到“亿”级别。

今年9月，三星正式推出旗下首款基于0.64µm像素的2亿像素（200Mp）分辨率图像传感器ISOCELL HP1，这款产品不仅有着超高分辨率，而且封装小巧，能很好融于如今的各类手持设备。有了ISOCELL HP1加持，即便在室内或傍晚等光线不足的环境下拍照，也能拍出炒高分辨率照片，看到更清晰的细节。更惊喜的是，ISOCELL HP1还能以30帧/秒（fps）的速度拍摄8K视频，且尽可能减少视野损失。

自1974年进入半导体产业以来，三星在多个半导体领域创造了奇迹，也正在面向未来的科技产业做广泛布局。正如三星电子高级技术研究院研究员Donhee Ham所言，“我们提出的愿景非常宏大，但朝着这样一个宏伟的目标努力，我们将推动机器智能、神经科学和半导体技术的边界。”

编辑：fqj