來自德州農工大學、桑迪亞國家實驗室、利弗莫爾和史丹佛大學的一組研究人員正在從大腦中汲取經驗教訓，設計材料以實現更高效的計算。所發現的新型材料是此類材料中的第一種——透過在軸突沿傳輸線傳播時自發性傳播電訊號來模仿軸突的行為。這些發現可能對計算和人工智慧的未來至關重要。

這項研究發表於自然。

任何電訊號由於金屬的自然電阻，在金屬導體中傳播會損失振幅。現代電腦處理 (CPU) 和圖形處理單元可以包含大約 30 英里長的細銅線，在晶片內傳輸電訊號。這些損耗很快就會增加，需要放大器保持脈衝完整性。這些設計限制影響了目前互連密集晶片的效能。

為了克服這一限制，研究人員從軸突中獲得了靈感。軸突是脊椎動物神經細胞或神經元的一部分，可以傳導電脈衝遠離神經細胞體。

「通常，我們希望將數據訊號從一個地方傳輸到另一個更遠的地方，」主要作者蒂姆·布朗博士說，他是桑迪亞國家實驗室的博士後學者，也是該大學的前博士生。材料科學以及德州農工大學的工程專業。

「例如，我們可能需要將電脈衝從 CPU 晶片的邊緣傳輸到其中心附近的電晶體。即使對於導電性最好的金屬，電阻也會達到室溫不斷地耗散傳輸的訊號，因此我們通常會切入傳輸線並增強訊號，這會消耗能源、時間和空間。生物學的處理方式有所不同：大腦中的一些信號也可以跨厘米距離傳輸，但通過由電阻更大的有機物質製成的軸突傳輸，並且不會中斷和增強信號。

德州農工大學材料科學與工程系副教授 Patrick Shamberger 博士表示，軸突就是通訊高速公路。它們將訊號從一個神經元傳遞到鄰近的神經元。雖然神經元負責處理訊號，但軸突就像光纖電纜一樣，將訊號從一個神經元傳輸到鄰近的神經元。

與軸突模型一樣，本研究中發現的材料處於啟動狀態，使它們能夠在電壓脈衝沿著軸突傳遞時自發性放大。研究人員利用了鈷酸鑭中的電子相變，使其在加熱時變得更加導電。這種特性與訊號通過材料時產生的少量熱量相互作用，從而形成正回饋迴路。

其結果是出現一系列在普通被動電氣元件（電阻器、電容器、電感器）中未觀察到的奇異行為，包括小擾動的放大、負電阻以及交流訊號中異常大的相移。

根據尚伯格介紹，這些材料是獨一無二的，因為它們以半穩定的「金髮女孩狀態」存在。電脈衝既不會衰減，也不會表現出熱失控和擊穿。相反，如果材料保持在恆定電流條件下，它會自然振盪。研究人員確定他們可以利用這種行為來產生尖峰行為並放大沿著傳輸線傳播的訊號。

「我們本質上是利用材料的內部不穩定性，當電子脈衝沿著傳輸線。雖然我們的合著者斯坦威廉斯博士在理論上預測了這種行為，但這是對其存在的首次確認。

這些發現可能對未來的計算至關重要，因為計算正在推動能源使用需求的不斷增長。預計到 2030 年，資料中心將使用美國 8% 的電力，而人工智慧可能會大幅增加這項需求。從長遠來看，這是理解動態材料和利用生物學靈感促進更高效計算的一步。