| 0 |
|
Новая форма искусственного синапса, основанная на сверхпроводящих джозефсоновских переходах и магнитных нанокластерах, работает так же, как и его естественный аналог, и может использоваться для подключения процессоров и хранения воспоминаний в будущих компьютерах, похожих на мозг. Устройство не только намного более эффективно, чем его биологический аналог с точки зрения потребляемой им энергии, но и намного быстрее.
Нейроморфные вычисления предназначены для имитации нейронной системы на физическом уровне нейронов и синапсов (которые являются связями между нейронами) и будут основываться на нейроноподобных сетях, а не на рядах двоичных 1 и 0. Они демонстрируют большие перспективы и могут значительно повысить эффективность некоторых вычислительных задач, таких как восприятие, принятие решений и изучение языка. Они также смогут более легко обрабатывать огромные массивы данных, которые в настоящее время генерируются во всем мире (большие данные), и поддерживать новые технологии, такие как ИИ и IoT, благодаря тому, что является массово параллельными.
Чтобы создать это новое поколение машин, исследователи заняты разработкой подходящих пластиковых синапсоподобных устройств - не в последнюю очередь потому, что синапсы в человеческом мозге превосходят по количеству нейроны на несколько порядков. И хотя прогресс идет довольно быстро, большинство устройств все еще не столь энергоэффективны, как человеческий мозг.
Исследователи во главе с Майклом Шнайдером (Michael Schneider) из NIST сделали синапсы с использованием стандартных технологий изготовления, заимствованных из цифровых вычислений на основе перехода Джозефсона и магнитных запоминающих устройств с произвольным доступом. Джозефсоновские переходы состоят из двух слоев сверхпроводящих материалов с изолятором из наноразмерных кластеров марганца в кремниевой матрице между ними. Когда идет электрический ток через электроды на устройстве (сделанные из ниобия), и этот ток превышает критический уровень, возникают всплески напряжения.
Нейрон также работает таким образом - генерирует потенциалы действия, которые распространяются вдоль аксона. Эти потенциалы действия передаются через переход к следующему нейрону, и чем больше возбуждается нейронов, тем сильнее связь. И настоящие, и искусственные синапсы могут таким образом поддерживать старые цепи и создавать новые, объясняет Шнайдер.
Нанокластеры в искусственном синапсе представляют собой стержневые магниты со спинами, которые могут быть ориентированы либо случайным образом, либо скоординированным образом. Исследователи говорят, что они могут управлять количеством нанокластеров, в которых спины ориентируются в одном направлении, что влияет на сверхпроводящие свойства джозефсоновского перехода.
«Синапс остается в сверхпроводящем состоянии за исключением случаев, когда мы активируем его, прикладывая импульсы тока в магнитном поле, упорядочивающим спины нанокластера, - объясняет Шнайдер. - Затем он начинает создавать всплески напряжения».
Исследователи также могут прикладывать электрические импульсы без магнитного поля для уменьшения магнитного упорядочения и увеличения критического тока. «Эта конструкция, в которой различные входы изменяют ориентации спинов и результирующие выходные сигналы, аналогична синапсам в мозге, - говорит Шнайдер. - Однако эти искусственные синапсы на самом деле лучше, чем их биологические аналоги, поскольку они могут возбуждаться намного быстрее - 1 ГГц по сравнению с частотой клеток мозга 50 Гц, используя только одну десятитысячную долю энергии. Пиковая энергия на самом деле меньше 1 аттоджуля, и мы не знаем другого искусственного синапса, который потребляет меньше энергии. Хотя исследователи делали и раньше сверхпроводящие устройства, которые имитируют клетки мозга, эффективные синапсы, такие как наши, отсутствовали».
Синапсы можно укладывать в трехмерные структуры, чтобы их можно было использовать для создания больших систем для нейроморфных вычислительных цепей. Согласно симуляциям исследователей NIST, эти системы будут передавать электроэнергию без сопротивления, а данные в них будут передаваться и обрабатываться в единицах магнитного потока.
Тем не менее, это не все. До сих пор исследователи говорят, что им удалось создать десятки этих устройств, и им нужно сделать миллионы (или даже больше), чтобы действительно достичь результата, на который они надеются. «Итак, хотя здесь много обещаний, нам еще предстоит пройти долгий путь по масштабированию этих синапсов до полезных схем, - сказал Шнайдер. - Наши следующие шаги состоят в том, чтобы построить небольшие цепи, а затем идти дальше».
Искусственный нейрон NIST
Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365
| 0 |
|
