聲波為神經形態芯片帶來模擬大腦的優勢

神經形態計算通過模仿大腦的運作方式，能夠顯著降低能耗，但現有設備的連接複雜性遠不及人腦。人腦每個神經元擁有數千個突觸，而小腦中的浦肯野細胞甚至可達十萬個，這使得人腦能將不同信息組合、比較並做出情境響應。相比之下，大多數神經形態芯片僅相當於一個“人工突觸”，構建類似人腦的神經元需要大量佈線，增加能耗和複雜度。

亞利桑那大學的研究團隊另闢蹊徑，利用聲波（即phi-bit）來構建更接近生物神經元的聲學突觸。phi-bit通過聲波相位編碼多個值，支持量子風格的邏輯門和並行計算，且多個phi-bit可共用一個空間。研究者用三根鋁棒（每根長約60釐米、寬1.25釐米）通過環氧樹脂粘合，兩端以蜂蜜粘貼超聲波發射器和傳感器。聲波在鋁棒中傳播並相互作用，通過調節相位模擬突觸可塑性——即記憶的強化或消退。

在分類150朵鳶尾花的實驗中，該聲學突觸僅需39個參數即達到96.7%的準確率，比傳統多層感知器（MLP）快20%，且功耗僅為電子神經形態硬件的十分之一。研究還利用拓撲聲學原理，使聲波在幾乎無能量耗散的情況下傳播，進一步提升了效率。英特爾等公司的神經形態芯片雖已商用，但連接數有限，而聲波方法可實現更緊湊、並行的計算。

更令人興奮的是，該設備能模擬多巴胺、血清素等神經調節物質的作用。只需增加一根鋁棒，即可模擬學習中的快速反應（如多巴胺效應）和慢性壓力等長期適應過程。這使得未來神經形態硬件能用同一電路在不同情境下執行不同功能，無需為每項任務設計獨立網絡。桑迪亞國家實驗室的研究員布拉德·艾莫尼評價説：“這開闢了值得思考的新機遇。”相關論文於6月12日發表在《科學進展》上。