В нашем
головном мозге – более 86 миллиардов нейронов, связанных местами контакта,
которые называются синапсами. Нейроны не просто обеспечивают умственную и
физическую деятельность, но и постоянно адаптируются к стимулам, ослабляя одни
связи и усиливая другие. Благодаря такому процессу обучения в мозге могут
происходить быстрые и высокоэффективные вычислительные процессы.
Инженеры факультета
машиностроения и прикладных наук Гарвардского университета создали новый тип
транзистора, который имитирует поведение синапса. Устройство нового типа
одновременно регулирует поток информации и физически адаптируется к меняющимся
сигналам. Используя необычные свойства новых материалов, такой транзистор может
положить начало принципиально новому виду искусственного интеллекта. Кроме
того, адаптация к сигналам позволит значительно сократить расход потребляемой энергии
без ущерба для большой вычислительной мощности.
Человеческий мозг,
несмотря на феноменальную способность к вычислениям, использует где-то 20 ватт
энергии. Неудивительно, что он представляет огромный интерес для инженеров. По
словам одного из соавторов исследования Дзян Ши, продемонстрированный
транзистор действительно является аналогом синапса в нашем мозге. Каждый раз,
когда какой-то нейрон инициирует действие, а другой нейрон на него реагирует,
синапс между ними усиливает связь. Чем интенсивнее активность нейронов, тем
сильнее синаптическая связь.
Как ионы кальция и
рецепторы влияют на изменения биологического синапса, так и ионы кислорода
позволяют функционировать искусственной версии. В качестве «аксона» и
«дендрита» выступают два платиновых терминала. Функции канала синапса
осуществляет тонкая (80 нм) пленка из никелата самария, в кристаллическую
решетку которого при подаче напряжения проникают и из которой выпадают ионы
кислорода. Изменение концентрации ионов никелата повышает или понижает его электропроводимость,
и, как в естественном синапсе, сила связи зависит от временной задержки
электрического сигнала.
Структурно устройство
состоит их никелата-полупроводника, помещенного между двумя платиновыми
электродами, которые прилегают к маленькому резервуару с ионной жидкостью.
Внешний мультиплексор преобразовывает временную задержку в значение напряжения,
применяемого к ионной жидкости, создавая электрическое поле, которое направляет
ионы к никелату либо извлекает их из него. Все устройство имеет длину несколько
сотен микрон и встроено в кремниевый чип.
Синаптический
транзистор имеет такие преимущества перед традиционными устройствами: он не
привязан к двоичному коду, запоминает свое состояние, даже если прерывается
подача напряжения, имеет высокую степень энергоэффективности, а также
выдерживает температуру до 160 градусов. Недостатки заключаются в сложности
синтеза малоизученного никелата самария, а также в том факте, что размер
устройства влияет на скорость передачи сигналов. Для создания действительно
сверхбыстрого устройства необходимо поместить управляющий электрод еще ближе к
жидкости.