يقوم باحثو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا بإنشاء مشابك اصطناعية أسرع بـ 10,000 آلاف مرة من المشابك البيولوجية

كان الباحثون يحاولون بناء نقاط الاشتباك العصبي الاصطناعية لسنوات على أمل الاقتراب من الأداء الحسابي منقطع النظير للدماغ البشري. نجح نهج جديد الآن في تصميم مقاربات أصغر 1,000 مرة وأسرع 10,000 مرة من نظيراتها البيولوجية.

على الرغم من النجاح الباهر لـ التعلم العميق على مدى العقد الماضي ، هذا النهج المستوحى من الدماغ AI يواجه التحدي المتمثل في أنه يعمل على أجهزة لا تشبه إلا أدمغة حقيقية. هذا جزء كبير من السبب الذي يجعل الدماغ البشري الذي يزن ثلاثة أرطال فقط يمكنه أن يكتسب مهامًا جديدة في ثوانٍ باستخدام نفس القدر من الطاقة مثل المصباح الكهربائي ، بينما يستغرق تدريب أكبر الشبكات العصبية أسابيع ، وميغاواط ساعات من الكهرباء ، ورفوف من المعالجات المتخصصة.

أدى ذلك إلى زيادة الاهتمام بالجهود المبذولة لإعادة تصميم الأجهزة الأساسية التي يعمل عليها الذكاء الاصطناعي. الفكرة هي أنه من خلال بناء رقائق الكمبيوتر التي تعمل مكوناتها مثل الخلايا العصبية والمشابك الطبيعية ، قد نكون قادرين على الاقتراب من الفضاء الشديد وكفاءة الطاقة في الدماغ البشري. الأمل هو أن هذه المعالجات المزعومة "العصبية" يمكن أن تكون أكثر ملاءمة لتشغيل الذكاء الاصطناعي أكثر من شرائح الكمبيوتر.

أظهر باحثون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أن تصميم المشبك الاصطناعي غير العادي الذي يحاكي اعتماد الدماغ على الأيونات المتحرّكة حوله يمكن أن يتفوق بشكل كبير على العناصر البيولوجية. كان الاختراق الرئيسي هو العثور على مادة تتحمل المجالات الكهربائية الشديدة ، مما أدى إلى تحسين السرعة التي يمكن أن تتحرك بها الأيونات بشكل كبير.

"كانت السرعة مفاجئة بالتأكيد ، "مراد أونين ، الذي قاد البحث ، وقال في بيان صحفي. "في العادة ، لن نطبق مثل هذه الحقول المتطرفة عبر الأجهزة ، حتى لا نحولها إلى رماد. ولكن بدلاً من ذلك ، انتهى المطاف بالبروتونات [التي تعادل أيونات الهيدروجين] بالتحرك بسرعة هائلة عبر مكدس الجهاز ، وتحديداً أسرع بمليون مرة مقارنةً بما كان لدينا من قبل. "

بينما هناك a مجموعة متنوعة من مناهج الهندسة العصبية ، واحدة من أكثر الطرق الواعدة هي الحوسبة التناظرية. يسعى هذا إلى تصميم مكونات يمكنها استغلال الفيزياء الداخلية لمعالجة المعلومات ، وهو أمر أكثر كفاءة ومباشرة من تنفيذ عمليات منطقية معقدة مثل الرقائق التقليدية.

حتى الآن ، ركزت الكثير من الأبحاث على تصميم "ممرستور”—مكونات إلكترونية تتحكم في تدفق التيار بناءً على كمية الشحن التي كانت تتدفق مسبقًاed من خلال الجهاز. هذا يحاكي الطريقة التي تزيد بها الروابط بين الخلايا العصبية البيولوجية أو تنقص قوتها اعتمادًا على التردد الذي تتواصل به ، مما يعني أنه يمكن استخدام هذه الأجهزة من حيث المبدأ لإنشاء شبكات ذات خصائص مماثلة للشبكات العصبية البيولوجية.

ربما ليس من المستغرب أن يتم إنشاء هذه الأجهزة باستخدام تقنيات الذاكرة. ولكن بشكل جديد الورق في علوم, يجادل باحثو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا بأن المكونات المُحسَّنة لتخزين المعلومات على المدى الطويل هي في الواقع غير مناسبة لإجراء انتقالات الحالة العادية المطلوبة لضبط قوة الاتصال باستمرار في شبكة عصبية اصطناعية. ذلك لأن الخصائص الفيزيائية التي تضمن فترات استبقاء طويلة لا تكون مكملة لتلك التي تسمح بالتبديل عالي السرعة.

ولهذا السبب صمم الباحثون بدلاً من ذلك مكونًا يتم تنظيم توصيله عن طريق إدخال البروتونات أو إزالتها في قناة مصنوعة من زجاج فسفوسيليكات (PSG). إلى حد ما ، هذا يحاكي سلوك المشابك البيولوجية ، التي تستخدم الأيونات لنقل الإشارات عبر الفجوة بين اثنين من الخلايا العصبية.

ومع ذلك ، هذا هو المكان الذي يتشابه فيهالمنشأ نهاية. يحتوي الجهاز على طرفين طرفيين هما في الأساس مدخلات ومخرجات المشبك. يتم استخدام طرف ثالث لتطبيق مجال كهربائي ، والذي يحفز البروتونات على الانتقال من خزان إلى قناة PSG أو العكس اعتمادًا على اتجاه المجال الكهربائي. المزيد من البروتونات في القناة تزيد من مقاومتها.

الباحثون أتى مع هذا التصميم العام مرة أخرى في عام 2020، لكن أجهزتهم السابقة كانت تستخدم مواد غير متوافقة مع عمليات تصميم الرقائق. ولكن الأهم من ذلك ، أن التحول إلى PSG زاد بشكل كبير من سرعة تبديل الجهاز. ذلك لأن المسام ذات الحجم النانوي في هيكلها تمكن البروتونات من التحرك بسرعة كبيرة خلال المادة ، وأيضًا لأنها تستطيع تحمل نبضات المجال الكهربائي القوية جدًا دون أن تتلف.

تمنح المجالات الكهربائية الأكثر قوة البروتونات زيادة هائلة في السرعة وهي مفتاح لقدرة الجهاز على التفوق في أداء المشابك البيولوجية. في الدماغ ، يجب أن تظل الحقول الكهربائية ضعيفة نسبيًا لأن أي شيء يزيد عن 1.23 فولت (V) يتسبب في تكوين الماءs الجزء الأكبر من الخلايا لتنقسم إلى غاز الهيدروجين والأكسجين. هذا هو السبب إلى حد كبير في حدوث العمليات العصبية على مقياس ملي ثانية.

في المقابل ، فإن جهاز فريق MIT قادر على العمل بسرعة تصل إلى 10 فولت في نبضات قصيرة تصل إلى 5 نانوثانية. يسمح هذا للمشبك الاصطناعي بالعمل أسرع بـ 10,000 مرة من نظيره البيولوجيs. علاوة على ذلك ، يبلغ عرض الأجهزة نانومتر فقط ، مما يجعلها أصغر 1,000 مرة من المشابك البيولوجية.

نحن خبراء بالتدريب قال عالم جديد أن الإعداد ثلاثي الأطراف للجهاز ، على عكس الاثنين الموجودين في معظم نماذج الخلايا العصبية ، قد يجعل من الصعب تشغيل أنواع معينة من الشبكات العصبية. تمثل حقيقة وجوب إدخال البروتونات باستخدام غاز الهيدروجين تحديات أيضًا عند توسيع نطاق التكنولوجيا.

هناك طريق طويل لنقطعه من المشبك الاصطناعي الفردي إلى الشبكات الكبيرة القادرة على إجراء معالجة جادة للمعلومات. لكن السرعة الاستثنائية والحجم الصغير للمكونات تشير إلى أن هذا اتجاه واعد في البحث عن أجهزة جديدة يمكن أن تضاهي أو تتجاوز قوة العقل البشري.

الصورة الائتمان: استوديو ايلا مارو / مراد اونين