蜂蜜的神经形态计算的研究，比传统计算架构的效率高出几个数量级

华盛顿州立大学的研究人员已经建立了一个概念验证设备，其中包括神经形态计算的关键电路之一 – 记忆器件 – 竟然是由蜂蜜构建而成的。研究人员希望他们的研究为可生物降解，可持续，基于有机的计算系统铺平道路，这种系统比传统计算架构的效率高出几个数量级。

为了构建该设备，研究人员将真正的蜜蜂来源的蜂蜜加工成两个金属电极之间的固体形式，就像大脑的突触位于神经元之间一样。然后测试了该设备以生物对应物100到500纳秒之间的速度快速打开和关闭的能力 – 目前已经有所成功。

“这是一个非常小的设备，结构简单，但它具有与人类神经元非常相似的功能，”WSU工程与计算机科学学院副教授Feng Zhao在公告中说。“这意味着如果我们能够将数百万或数十亿个这些蜂蜜记忆器整合在一起，那么它们就可以被制成一个神经形态系统，其功能很像人脑。

神经形态计算处于技术进化和生物进化之间的十字路口。神经形态设计旨在模仿我们大脑神经元和突触（经过数百万年的进化而发展）的功能，以解锁计算能力和功率效率的量级改进。效率的巨大差异不容小觑：世界上最强大的超级计算机，日本基于Arm的Fugaku，平均消耗2800万瓦。是的，它可以解决我们的大脑无法解决的问题;但事实恰恰相反。现代计算机仍然缺乏创造力的火花，这种火花来自（至少部分）以新颖的方式组合已知信息的能力 – 同时消耗估计10 W到20 W的功率。记忆器具有处理和存储数据的能力，是实现同等效率的关键。

传统系统，如目前最好的游戏PC，都是基于冯·诺依曼（Von Neumann）的设计，这是一种由其同名创造者于1945年提出的计算架构。这些要求计算机在设计时具有输入机制，如键盘、鼠标或触摸屏，以及输出介质（如计算机显示器）。为了处理输入并将其转换为所需的输出，冯·诺依曼架构包括CPU和数据存储库，例如内部缓存（随着岁月的流逝，其大小只会增加）和外部存储器组（例如RAM）。这使他们能够存储计算的中间和最终结果，以及在整个工作负载中指导CPU晶体管的关键指令集。

将计算元素与存储分开的物理距离会导致性能和电源效率损失。这些只会增加数据必须获取的距离，这是开发CPU内缓存的原因之一（AMD的3D V-Cache就是一个恰当的例子），旨在减少存储和计算元素之间的距离。

研究人员仔细研究了许多有机材料作为记忆器设计的候选物质，如蛋白质，糖和其他有机化合物，但蜂蜜呈现出最有希望的特征。

“蜂蜜不会变质，”。“它的水分浓度非常低，所以细菌不能在其中存活。这意味着这些计算机芯片将在很长一段时间内非常稳定可靠。

潜在的基于蜂蜜的神经形态系统的另一个重要因素是它们的极端生物降解性，这将有助于减少来自过时或有缺陷的硅基电子产品的大量电子废物。

“当我们使用蜂蜜制成的计算机芯片处理设备时，我们可以很容易地将它们溶解在水中，”赵继续说道。“由于这些特殊性质，蜂蜜对于创造可再生和可生物降解的神经形态系统非常有用。这不仅对我们这些不幸将咖啡洒在电子产品上作为个人运动的人来说带来了挑战，而且也给这些解决方案在不太可控的环境中的最终可部署性带来了挑战。

基于蜂蜜的记忆器方法仍有工作要做。下一个研究目标是进一步使计算机元素小型化。虽然目前的设计处于微观尺度（大约是人类头发的大小），但该团队的目标是将其相对尺寸缩小到纳米级（大约小1/1，000）。没有规避这种缩放要求：只有在纳米尺度上，设备才能容纳数百万甚至数十亿个这些计算元素，这是有用的神经形态系统所必需的数量。

这项研究很有希望，但它最终可能会影响全球蜜蜂种群。