К компьютерам следующего поколения

18 августа 2021 г., 19:05

Человеческий мозг хранит секреты нашей уникальной личности. Но знаете ли вы, что он также может лечь в основу высокоэффективных вычислительных устройств? Исследователи из Университета Нагоя, Япония, недавно показали, как это сделать с помощью соединений графен-алмаз, имитирующих некоторые функции человеческого мозга.

Но зачем ученым пытаться подражать человеческому мозгу? Сегодня существующие компьютерные архитектуры обрабатывают сложные данные, что ограничивает их скорость обработки. С другой стороны, человеческий мозг может обрабатывать очень сложные данные, такие как изображения, с высокой эффективностью. Поэтому ученые пытались создать «нейроморфную» архитектуру, имитирующую нейронную сеть в головном мозге.

Феномен, необходимый для памяти и обучения, - это «синаптическая пластичность», способность синапсов (нейронных связей) адаптироваться в ответ на повышенную или пониженную активность. Ученые пытались воссоздать подобный эффект, используя транзисторы и мемристоры. Недавно разработанные мемристоры с управлением светом, или «фотомемристоры», могут как обнаруживать свет, так и обеспечивать энергонезависимую память, подобную зрительному восприятию и памяти человека. Эти превосходные свойства открыли дверь в совершенно новый мир материалов, которые могут действовать как искусственные оптоэлектронные синапсы!

Это побудило исследовательскую группу из Университета Нагоя разработать соединения графен-алмаз, которые могут имитировать характеристики биологических синапсов и ключевых функций памяти, открывая двери для устройств памяти с распознаванием изображений следующего поколения. В своем недавнем исследовании, опубликованном в Carbon, ученые во главе с доктором Кенджи Уэда (Kenji Ueda) продемонстрировали оптоэлектронные синаптические функции с использованием соединений между вертикально ориентированным графеном (VG) и алмазом. Изготовленные соединения имитируют биологические синаптические функции, такие как производство «возбуждающего постсинаптического тока» (EPSC) - заряда, индуцируемого нейротрансмиттерами на синаптической мембране - при стимуляции оптическими импульсами и демонстрируют другие основные функции мозга, такие как переход от кратковременная память (STM) в долговременную память (LTM).

Доктор Уэда объясняет: «Наш мозг хорошо оснащен, чтобы просеивать доступную информацию и хранить то, что важно. Мы пробовали нечто подобное с нашими массивами алмазов VG, которые имитируют человеческий мозг при воздействии оптических стимулов». Он добавляет: «Это исследование было инициировано открытием в 2016 году, когда мы обнаружили большое оптически индуцированное изменение проводимости в переходах графен-алмаз». Помимо EPSC, STM и LTM, переход также показывают улучшение парных импульсов на 300% - увеличение постсинаптического тока, когда ему непосредственно предшествует синапс.

Массивы VG-алмаза подвергались окислительно-восстановительным реакциям, индуцированным флуоресцентным светом и синими светодиодами под напряжением смещения. Исследователи объяснили это наличием по-разному гибридизованных атомов графена и алмаза на границе перехода, что привело к миграции ионов в ответ на свет и, в свою очередь, позволило переходам выполнять светочувствительные и фотоуправляемые функции, аналогичные тем, которые выполняются мозгом и сетчаткой. Кроме того, массивы VG-алмаза превзошли характеристики обычных светочувствительных материалов на основе редких металлов с точки зрения светочувствительности и простоты конструкции.

Доктор Уэда говорит: «Наше исследование обеспечивает лучшее понимание рабочего механизма, лежащего в основе искусственного оптоэлектронного синаптического поведения, открывая путь для оптически управляемых компьютеров, имитирующих мозг, с лучшими возможностями обработки информации, чем существующие компьютеры». Будущее вычислений следующего поколения, возможно, не так уж и далеко!

К компьютерам следующего поколения