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摘要：NIMS和东京理科大学的研究小组利用在固体电解质薄膜和金刚石的界面附近发生的离子现象，重现了大脑中被称为“混沌边缘”的特征，并成功开发了通过该技术进行信息处理的高性能AI元件。

关键词：模拟大脑、Ionics信息处理元件、“混沌边缘”、离子现象、AI元件

概要

1. 国立研究开发法人物质材料研究机构（NIMS）和东京理科大学的研究小组，利用在固体电解质薄膜和金刚石的界面附近发生的离子现象（离子与电子行为），重现了大脑中被称为“混沌边缘”的特征，并成功开发了通过该技术进行信息处理的高性能AI元件。该元件可用于图像、人物、声音、气味等的分类，以及未来预测等各种模式识别与决策，有望应用于低功耗的边缘AI终端设备及广泛实用领域。

2. AI技术基于计算机技术。为了让计算机设备更接近于大脑，研究人员正不断对计算机的构成元件进行改进，然而目前计算机的能效和信息处理性能仍然远远低于大脑。这可能是由于使用传统元件的计算机无法再现大脑特有的一种状态，即“混沌边缘”。出于这一观点，研究人员开始研究能够再现“混沌边缘”的硬件，但却发现需要采用传统的大量元件组成大规模电路来实现。也有研究评估了适合高度集成封装的小型元件，但仍停留在通过模拟预测元件性能的阶段。

3. 本次，研究小组利用锂固体电解质薄膜和金刚石堆叠界面的离子现象，表达了“混沌边缘”状态，开发出表现出高信息处理性能的AI元件。该元件的工作原理基于双电层半导体管原理，即固体电解质/金刚石界面的双电层的充放电会使电阻发生变化。而由于该元件能够通过“混沌边缘”现象，产生类似脑神经的尖峰与缓和的电响应，因此适合高效信息处理。研究小组让AI元件进行了预期的工作（从一种波形的输入信号转换为任意波形），结果元件将误差降低到了此前类似小型元件最好数据的六分之一，达到了世界最高的性能。

4. 本研究通过在固体电解质薄膜和金刚石薄膜的界面上模拟大脑特征，获得了一种进行大脑型信息处理技术的新技术。该技术能够利用双电层仅有几纳米厚的微小空间实现高性能，在实用层面具有巨大优势。通过与智能手表、监控摄像头和语音传感器等各种传感器相结合，该元件有望应用于低功耗边缘AI终端设备，广泛应用于医疗、防灾、制造与安保等行业。

图片：本研究开发的大脑型信息处理元件的示意图

翻译：王京徽

审校：李涵

通稿：李涵

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开发模拟大脑工作原理的Ionics信息处理元件