Neuromorfinė kompiuterija jau seniai jaudina tyrėjus, nuo pat pasirodymo devintojo dešimtmečio pabaigoje. Nauja sinapsė galėtų užtaisyti šios technologijos spragas.

Naujas Nacionalinio standartų ir technologijos instituto tyrimas kompiuterius dar keliais žingsniais priartino prie dirbtinių smegenų, funkcionuojančių kaip tikros, sukūrimo. NIST komanda sukūrė superlaidų jungiklį („sinapsę“), kuri „mokosi“, kaip biologinis atitikmuo. Šis jungiklis ateityje galėtų sujungti procesorius ir saugoti informaciją kompiuteryje taip pat, kaip atsiminimus saugo žmogaus smegenys.

„Smegeniniai“ kompiuteriai buvo mokslinės fantastikos sritis beveik šimtą metų, bet devintajame praėjusio amžiaus dešimtmetyje neuromorfinė inžinerija tapo realybe. Ji buvo vertinama, kaip skaitmeninių smegenų ateitis tokiems įrenginiams, kaip kompiuteriai, išmanieji telefonai ir robotai. Drauge su dirbtinio intelekto programavimu, neuromorfiniai lustai galėtų tapti spartesnių, bet naudojančių daug mažiau energijos ir efektyvesnių kompiuterių sistemų pagrindu.

„NIST sinapsės naudoja mažiau energijos nei žmogaus sinapsės, ir nežinome jokios kitos dirbtinės sinapsės, kurios veikimui reikėtų mažiau energijos,“ sakė NIST fizikas Mike Schneider pranešime.

NIST sinapsė yra jungtis tarp įeinančių elektrinių impulsų ir išeinančių signalų. Ir veikia taip pat, kaip žmogaus sinapsės, greitai perjungiančios dvi smegenų ląsteles. NIST kūrinio vidinis dizainas lankstus, ir gali kisti, priklausomai nuo potyrių ir aplinkos. Kuo daugiau elektros impulsų tarp procesorių, tuo stipresnis tampa sinapsės ryšys, paaiškino tyrėjai. Ir, visai kaip gyvos sinapsės, dirbtinės irgi išlaiko senus ryšius, tuo pat metu kurdamos naujus.

Tačiau dirbtinės sinapsės veikia gerokai sparčiau, nei biologinės žmogaus smegenyse. Smegenų ląstelė, neuronas, impulsus generuoja 50 kartų per sekundę. NIST sinapsė per sekundę spėja sukurti 1 milijardą impulsų, o energijos jai reikia vos dešimtosios dalies to, kiek naudoja žmogaus smegenys. Tyrėjų matavimais, dirbtinei sinapsei reikia mažiau nei vieno atodžaulio energijos (1·10⁻¹⁸ J). Tai mažiau energijos, nei kambario temperatūros foninė energija ir panašiai tokia energija sieja du atomus molekulėje.

Šioje sinapsėje naudojama technologija, panaši į tą, kurią NIST komanda vadina Josephsono jungtimi. Sinapsėje naudojami standartiniai niobio elektrodai, tačiau tarpas užpildomas unikaliomis mangano nanodalelėmis silicio struktūroje. Kai elektros srovės stipris viršija kritinę ribą, sukuriamas įtampos šuoliukas. Kaip pažymėjo Schniederis, šių jungčių viename kvadratiniame mikrometre (µm²) yra 20 000 mangano ir silicio nanodalelių. Jos veikia kaip magnetai ir jomis tyrėjai gali kontroliuoti sistemą.

„Tai yra paderintos Josephsono jungtys,“ pažymėjo jis. „Galime kontroliuoti ta pačia kryptimi išrikiuotų nanodalelių skaičių, ir atitinkamai paveikti jungties superlaidumą.“

Sinapsė būna superlaidžioje būsenoje tol, kol ją aktyvuoja ateinanti srovė ir ji tada pradeda kurti įtampos šuoliukus. Tyrėjai srovės impulsais magnetiniame lauke padidina magnetinių dalelių tvarkingumą, tai yra, ta pačia kryptimi išsirikiavusių nanodalelių skaičių. Šis magnetinis poveikis sumažina kritinį srovės lygį, tad, tampa lengviau sukurti normalų laidininką ir įtampos impulsus.

Kai visos nanodalelės išrikiuotos ta pačia kryptimi, kritinė srovė mažiausia. Šis procesas yra grįžtamas: impulsai be magnetinio lauko sumažina magnetinę tvarką ir tuo pačiu padidina kritinę srovę. Tokiu principu, kai skirtingi gaunami signalai pakeičia sukinio išsirikiavimą, tad ir sukuriamą signalą, vadovaujasi ir smegenys.

Sinapsių elgesys gali būti paderintas ir pakeitus įrenginio sandarą, bei jo veikimo temperatūrą. Sumažinę nanodaleles, tyrėjai gali sumažinti pulso energiją, kurios reikia magnetinės tvarkos padidinimui ar sumažinimui. Pavyzdžiui, pakėlus temperatūrą nuo −271,15 °C iki −269,15 °C, sukuriama daugiau ir stipresnių įtampos impulsų.

Dėl mažo dydžio, itin spartaus signalų generavimo, mažų energijos sąnaudų ir 3D išdėliojimo galimybės, NIST sinapsės gali būti naudojamos, kuriant daug sudėtingesnes neuromorfines sistemas, nei kada nors buvo pademonstruotos, taikant kitas technologijas.

NIST

Shelby Rogers

interestingengineering.com

Scientific Advances