Два подхода к искусственному синапсу

Человеческий мозг не имеет себе равных по сочетанию вычислительных возможностей и энергетической эффективности, поэтому учёные и инженеры во всем мире, специализирующиеся в области нейроморфных вычислений, активно работают над технологиями, имитирующими функции ключевых компонентов мозга

В результате двух таких независимых исследований – в Гронингенском университете (Нидерланды) и Массачусетском технологическом институте (MIT), о которых рассказывают статьи, вышедшие 22 января в журналах Scientific Reports и Nature Materials, созданы прототипы искусственного синапса – интерфейса, регулирующего обмен аналоговыми сигналами между нейронами мозга.

Устройство, разработанное физиками Института передовых материалов им. Цернике Университета Гронингена, комбинирует легированный ниобием титанат стронция (SrTiO3) с ферромагнитным кобальтом. Благодаря этому электрорезистивный мемристорный эффект полупроводника сочетается со спиновым явлением, называемым туннельной анизотропной магниторезистивностью (TAMR). Это означает, что запоминаемую устройством величину сопротивления можно менять как электрическим, так и магнитным полем.

Физика происходящего на интерфейсе кобальта с титанитом стронция нетривиальна и ещё окончательно неясна. Команда под руководством профессора Тамалики Банерджи (Tamalika Banerjee) продолжает работу, кульминацией которой должно стать создание сложной системы на спиновых мемристорах для тестирования когнитивных алгоритмов.

Инженеры MIT продвинулись несколько дальше: их версия искусственных синапсов на основе SiGe успешно прошла симуляционные тесты на распознавание, продемонстрировав соизмеримую точность с программными нейросетями.

В большинстве нейроморфных чипов роль синапса выполняет аморфная среда, в которой под действием напряжения ионы образуют проводящие волокна. Траекторий движения ионов в таком материале бесконечное множество, и главной проблемой таких устройств является их неточное и непредсказуемое поведение.

Для минимизации этой неопределённости, в чипе MIT в качестве синапса использован одномерный дефект (дислокация) в монокристаллическом кремнии. Такие дислокации, через которые, как через воронку, предсказуемым образом движутся ионы, образуются из-за несовпадения размеров кристаллических решёток кремниевой подложки и выращенного на ней слоя SiGe.

Величина тока через такие синапсы при одинаковом напряжении различалась менее, чем на 4%, а разброс значений тока через один и тот же синапс в 700 последовательных тестах не превышал одного процента.

Финальным испытанием стала компьютерная симуляция системы, состоящей из трёх нейрослоёв, соединенных двумя слоями искусственных синапсов. В стандартных тестах на распознавание рукописных образцов текста эта нейросеть давала 95% верных результатов, приближаясь по точности к полностью программным алгоритмам (97%).

Авторы рассчитывают вскоре уточнить эти результаты прогонкой тестов на реальном нейроморфном чипе, изготовлением которого они занимаются. Такое устройство должно стать прообразом компактных аппаратных нейросетей, сопоставимых по вычислительным возможностям с сегодняшними суперкомпьютерами.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365