通信技术|类脑芯片登上Nature子刊哈佛联手三星“复制粘贴”大脑神经元( 二 )_类脑芯片登上Nature子刊|哈佛联

为了实现上述目标，三星和哈佛的研究人员使用 CMOS 纳米电极阵列（CMOS nanoelectrode array，CNEA）和存储芯片对大脑神经元连接进行“复制、粘贴”，构建自然神经网络。
CMOS 纳米电极阵列是此前哈佛大学研究团队的成果，该团队在半导体芯片上加工出了 4096 个记录和刺激电极的 CMOS 纳米电极阵列，芯片上还有 4096 个电子通道，可以同时记录数千个神经元的突触连接。2020 年，这项研究发表在了《自然?生物医学工程》上。

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▲ CMOS 纳米电极阵列
因为 CMOS 纳米电极阵列中，每个垂直纳米电极都配备了电流注入器和电压放大器，可以持续向神经元注入电流，稳定细胞的电生理，这使神经元能够在研究的时候保持活性。
在实验中，研究团队通过 CMOS 纳米电极阵列研究小鼠皮层神经元网络，在 19 分钟内测量了来自 1728 个电极的细胞信号。这个数字还能够很容易地进行扩展，因为制造阵列密度更大、性能更强的半导体器件正是半导体行业所一直追求的。
目前，研究团队正在研究小鼠的视网膜和嗅球/梨状皮层中神经元，这些神经元由于功能不同，其组织形态也并不相同，有着各自的研究价值。之后，研究团队也会从这些外围神经元逐渐探索大脑神经元的突触连接。
在“粘贴”这一步，三星和哈佛大学的研究团队则计划当记录下细胞内神经信号后，用专门设计的存储器网络下载信号，构建自然神经网络。

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▲ 通过计算机辅助分析“复制”的神经信号，再将信号“粘贴”到存储网络中
研究团队写道，随着 3D 堆叠、先进封装等技术发展，存储芯片有着承载记忆网络的潜力。其中，闪存、磁性随机存取存储器（MRAM）、相变随机存取存储器（PRAM）和电阻式随机存取存储器（RRAM）4 种存储芯片各具优点，被研究人员认为可用作存储网络载体。
具体来说，研究人员将用计算机辅助分析程序来提取功能性突触连接图，然后用该图构建、编程一个记忆网络。由于一个神经元在大脑中约有 1000 个突触，因此记忆网络应具有 1000 倍神经元的内存芯片。
对于存储器来说，快速写入并验证记忆网络并不困难，当前 3D 闪存的写入速度通常超过 100MB/s 。但对计算机辅助分析程序来说，即使是 4096 个通道在 19 分钟里也会产生约 80G 的数据，随着 CMOS 纳米电极阵列进一步扩展，其数据量也会有所提升。
研究人员也尝试绕过计算机辅助分析，将每个硅基芯片和生物神经元一一对应，直接将连接图下载到 RRAM 或 PRAM 网络上。但由于离子通道的随机性等原因，RRAM 和 PRAM 存储器很难应用在大型网络中。