近日，沙特阿拉伯阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)何釗博士和所在團(tuán)隊(duì)，打造了一種基于量子芯片的神經(jīng)儲(chǔ)存器，支持每平方厘米萬(wàn)億個(gè)節(jié)點(diǎn)。

相比此前的同類(lèi)系統(tǒng)，本次系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模高出2～7個(gè)數(shù)量級(jí)。對(duì)于每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，它都是由薄膜上的量子核化誘導(dǎo)的納米電路組成。

而這種薄膜則由相變材料構(gòu)成，這讓單個(gè)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(chǔ)存器，這一新成果在電功率上降低了6個(gè)數(shù)量級(jí)，并且比人腦生物神經(jīng)元的效率高出1個(gè)數(shù)量級(jí)。

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

安全原語(yǔ)，是一個(gè)物理系統(tǒng)或設(shè)備，它能夠基于單向物理現(xiàn)象生成獨(dú)特且不可復(fù)制的數(shù)字指紋。

安全原語(yǔ)的強(qiáng)大功能，吸引了學(xué)界研究身份驗(yàn)證系統(tǒng)的興趣。當(dāng)前的身份驗(yàn)證方法比如密碼和生物識(shí)別已被證明可被黑客攻擊，不再足以保護(hù)用戶。

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

對(duì)于當(dāng)前和未公開(kāi)的任何類(lèi)型的人工智能攻擊，上述新技術(shù)都具有免疫性。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：其具有99.6%的可靠性、100%的用戶認(rèn)證準(zhǔn)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(shù)高3倍以上，同時(shí)能在僅有1平方厘米的面積內(nèi)存儲(chǔ)2.1104萬(wàn)多個(gè)密鑰。

在應(yīng)用前景上：

其一，可以實(shí)現(xiàn)安全應(yīng)用。

本次研究的芯片能幫助確保智能能源網(wǎng)絡(luò)等關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施拒絕未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)，助力實(shí)現(xiàn)技術(shù)深度滲透的智慧城市。

未來(lái)，假如在成熟度更高的技術(shù)階段，基于該芯片的原型能夠完成驗(yàn)證，那么預(yù)計(jì)這項(xiàng)技術(shù)可以顯著遏制攻擊私人公司和政府機(jī)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)犯罪行為。

其二，可用于自然語(yǔ)言處理任務(wù)。

比如，它能進(jìn)行語(yǔ)言建模、情感分析、文本分類(lèi)、機(jī)器翻譯和語(yǔ)音識(shí)別等。

基于儲(chǔ)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(shí)，它還具備捕獲復(fù)雜模式的能力，這讓其能針對(duì)語(yǔ)言的細(xì)微差別進(jìn)行建模。

基于芯片上神經(jīng)儲(chǔ)存器的大規(guī)模神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和高功率效率，其能在資源受限環(huán)境之中，開(kāi)展實(shí)時(shí)的語(yǔ)言處理應(yīng)用。

模擬對(duì)手，驗(yàn)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(duì)于鍺銻碲材料的相變來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)電場(chǎng)、熱、光等多種方式進(jìn)行誘導(dǎo)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(guò)程特性，更加適合于本次課題的開(kāi)展。

而在制造芯片的時(shí)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(lái)作為最終的支撐基底，借此消除硅作為半導(dǎo)體對(duì)于電信號(hào)測(cè)試的影響。

隨后，則需要對(duì)鍺銻碲薄膜進(jìn)行沉積。對(duì)于這一步驟來(lái)說(shuō)，并沒(méi)有可以參考的操作參數(shù)。

因此，他們需要事先總結(jié)參數(shù)，特別是總結(jié)厚度和時(shí)間這兩個(gè)參數(shù)，然后選擇適當(dāng)?shù)某练e時(shí)間，以便獲得相應(yīng)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(cè)，在任意不同的電極點(diǎn)之間進(jìn)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(shù)的幫助之下，將用于沉積電極的位置暴露出來(lái)。

金具有良好的導(dǎo)電性，因此該團(tuán)隊(duì)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(yīng)力和其他因素導(dǎo)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(lái)作為中間層，金膜在光刻膠的顯影過(guò)程中仍會(huì)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(guò)引線鍵合設(shè)備來(lái)使用微米級(jí)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(huì)影響引線的鍵合過(guò)程。

為此，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)月的探索，他們終于確定了適宜的設(shè)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(lái)對(duì)鍺銻碲薄膜的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。

在微觀水平上，鍺銻碲薄膜主要由非晶結(jié)構(gòu)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(shí)，他們又使用導(dǎo)電探針原子力顯微鏡設(shè)備，在納米尺度上測(cè)試了器件的電性能。

結(jié)果顯示，測(cè)試圖像中每個(gè)點(diǎn)的相干區(qū)域?yàn)?納米×8納米的單個(gè)像素。

通過(guò)分析電壓與電阻的變化，課題組發(fā)現(xiàn)當(dāng)電壓增加時(shí)，電阻會(huì)減小1～4個(gè)數(shù)量級(jí)。

這不僅遵循冪律的行為規(guī)律，并且微觀演變會(huì)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(guò)程中的情況。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，已有晶體的生長(zhǎng)以及新的量子尺寸的晶體在熱刺激之下的生長(zhǎng)過(guò)程，導(dǎo)致鍺銻碲薄膜內(nèi)部發(fā)生了變化。

為此，他們?cè)谔结樑_(tái)的幫助之下，針對(duì)量子芯片進(jìn)行電流-電壓的測(cè)試。

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

而來(lái)自非晶薄膜的量子尺度核聚變，會(huì)產(chǎn)生納米電路。下一步是開(kāi)發(fā)一個(gè)理論模型，以支持這樣一種假設(shè)：一個(gè)物理儲(chǔ)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(lái)開(kāi)發(fā)安全的基礎(chǔ)設(shè)備，并投入資源進(jìn)行該應(yīng)用的研究。

基于此，該團(tuán)隊(duì)成功開(kāi)發(fā)出一款認(rèn)證系統(tǒng)，包含安全密鑰生成和安全密鑰認(rèn)證這兩個(gè)部分。其中，密鑰生成遵循“挑戰(zhàn)—響應(yīng)”的模型。

在芯片輸入上，他們給定的是二進(jìn)制的挑戰(zhàn)字符串。在芯片輸出上，他們則通過(guò)使用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，來(lái)將響應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制密鑰字符串。

隨后，課題組設(shè)計(jì)了一個(gè)驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)。在設(shè)計(jì)驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候，不但要做到讓認(rèn)證服務(wù)器僅僅保留挑戰(zhàn)字符串，并且要確保沒(méi)有任何部分能夠存儲(chǔ)一次性密鑰。

基于這一驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)，他們開(kāi)展了密鑰認(rèn)證，并通過(guò)針對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模，模擬了一個(gè)“對(duì)手”。

這個(gè)“對(duì)手”不僅非常了解系統(tǒng)的特性，而且能夠復(fù)制除了神經(jīng)儲(chǔ)存器以外的所有經(jīng)典組件。

基于這一“對(duì)手”，他們?cè)u(píng)估了系統(tǒng)對(duì)于統(tǒng)計(jì)推理的抵抗能力。結(jié)果表明，攻擊者根本無(wú)法預(yù)測(cè)相關(guān)的認(rèn)證實(shí)例。

導(dǎo)師：“你們可能發(fā)現(xiàn)了更重要的東西”

另?yè)?jù)悉，在制備上述量子芯片時(shí)，課題組表示存在一些運(yùn)氣成分。

這項(xiàng)研究原本是要圍繞顯示應(yīng)用開(kāi)發(fā)一種新型光學(xué)相變材料。然而，在沉積過(guò)程之中，他們通過(guò)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(méi)有得到均勻的薄膜，而是得到了一個(gè)非晶系統(tǒng)，該非晶系統(tǒng)由隨機(jī)聚集的晶粒組成。

因此，當(dāng)他們獲得第一批樣品時(shí)，所有人都感到非常沮喪，因?yàn)闆](méi)有一個(gè)樣品達(dá)到預(yù)期效果。

經(jīng)過(guò)幾次嘗試之后，他們幾乎打算放棄本次項(xiàng)目。然而，當(dāng)向?qū)熣故具@些初始結(jié)果時(shí)，導(dǎo)師告訴他們：“你們可能發(fā)現(xiàn)了一些更重要的東西?！?/p>

于是，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了一次電子測(cè)量，盡管出現(xiàn)了異常復(fù)雜的物理現(xiàn)象，但是初步結(jié)果看起來(lái)不錯(cuò)。

又經(jīng)過(guò)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(xué)等手段，他們?cè)谠映叨乳_(kāi)展了多次調(diào)查，終于理解了本次系統(tǒng)的工作機(jī)制，并打造出了上述安全認(rèn)證系統(tǒng)。

后續(xù)，課題組計(jì)劃開(kāi)發(fā)一個(gè)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(tái)來(lái)控制芯片的操作，這限制了在毫秒級(jí)范圍內(nèi)調(diào)制系統(tǒng)響應(yīng)速度的能力。

預(yù)計(jì)在改進(jìn)之后，將能夠進(jìn)行信息的實(shí)時(shí)處理，從而提高設(shè)備的運(yùn)行速度和功率效率。（綜合整理報(bào)道）（策劃/小文）