突破AI「災難性遺忘」的新型記憶電阻器

所謂的「記憶電阻器」不僅耗電量極低，其運作方式也與腦細胞相似。由伊利亞·瓦洛夫（Ilia Valov）領導的德國於利希研究中心團隊，近日推出了一款新型記憶電阻元件，相較於以往版本，這款元件更具穩定性、適用電壓範圍更廣，且能同時支援類比與數位模式運作。這些特性有望解決人工神經網路中常見的「災難性遺忘」問題，即神經網路在學習新任務時，會突然遺忘先前已掌握的資訊。

災難性遺忘的成因在於，當深度神經網路進行新任務訓練時，新的最佳化過程會直接覆蓋舊的學習內容。然而，人類大腦並不會遇到這種問題，因為它能夠調節突觸變化的程度，這種能力被專家稱為「元可塑性」。研究人員推測，正是這種不同程度的可塑性，使得大腦能夠在學習新任務的同時，保留舊有資訊。而新型記憶電阻器則實現了類似的功能。

「其獨特屬性讓我們能夠透過不同的切換模式來調節記憶電阻器，從而確保儲存的資訊不會遺失，」來自於利希研究中心彼得·格林貝格研究所（PGI-7）的瓦洛夫解釋道。

現代電腦晶片的發展日新月異，而記憶電阻器（由「記憶」和「電阻」兩片語合而成）的出現，更為其注入了一股新動力。這些元件本質上是具有記憶功能的電阻器：其電阻值會根據施加的電壓而改變，且與傳統開關元件不同，即使關閉電壓，其電阻值仍能保持不變。這是因為記憶電阻器會發生結構性變化，例如電極上會沉積原子。

「記憶電阻元件被視為仿腦學習型電腦元件的理想候選者，」瓦洛夫表示。然而，儘管研究進展顯著，這些元件的商業化速度卻不如預期，主要原因在於生產過程中故障率偏高，且產品壽命較短。此外，它們對熱能或機械影響極為敏感，容易導致運作時頻繁故障。

「因此，基礎研究至關重要，以更好地控制奈米級別的製程，」長期投身於記憶電阻器領域的瓦洛夫強調，「我們需要新材料和切換機制，以降低系統複雜性並提升功能多樣性。」

正是在這方面，瓦洛夫與德國及中國的同事們取得了重要突破：「我們發現了一種全新的電化學記憶電阻機制，其化學與電氣穩定性更高，」瓦洛夫解釋道。這項研究成果已發表於《自然通訊》期刊。

目前，雙極記憶電阻器的運作機制主要分為兩種：電化學金屬化（ECM）與價態變化機制（VCM）。ECM記憶電阻器會在兩個電極之間形成一條金屬細絲，這條微小的「導電橋」會改變電阻值，並在電壓反轉時溶解。而VCM記憶電阻器則是透過氧離子在電極與電解質介面上的移動來改變電阻值，這一過程相對穩定，但需要較高的切換電壓。

「我們的新記憶電阻器基於完全不同的原理：它利用金屬氧化物形成的細絲，而非像ECM那樣純粹的金屬細絲，」瓦洛夫進一步說明。這條細絲由氧與鉭離子的移動形成，具有高度穩定性，且不會完全溶解。「你可以將其視為一條始終存在、僅在化學上發生變化的細絲，」他補充道。

這種新型切換機制被科學家稱為細絲導電性調變機制（FCM）。基於此機制的元件具有多項優勢：化學與電氣穩定性更高、耐高溫能力更強、適用電壓範圍更廣，且所需的切換電壓更低。這使得生產過程中的元件燒毀率降低，不良率減少，且壽命更長。

不同的氧化狀態讓記憶電阻器能夠在二進位與類比模式之間切換。二進位訊號是數位化的，僅能輸出兩種狀態，而類比訊號則是連續的，能夠呈現任何中間值。這種類比與數位行為的結合，對於神經形態晶片尤其重要，因為它有助於克服災難性遺忘問題。

研究團隊已將這款新型記憶電阻元件應用於人工神經網路模型的模擬中，並在多個影像資料集上實現了高精度的模式辨識。未來，他們將繼續尋找其他更穩定、效能更佳的記憶電阻材料。「我們的研究成果將進一步推動『記憶內計算』電子元件的發展，」瓦洛夫總結道。