MIT-i teadlased loovad kunstlikke sünapse 10,000 XNUMX korda kiiremini kui bioloogilised

Teadlased on aastaid püüdnud ehitada kunstlikke sünapse, lootuses jõuda inimaju konkurentsitu arvutusvõime lähedale. Uus lähenemine on nüüd suutnud kujundada selliseid, mis on 1,000 korda väiksemad ja 10,000 XNUMX korda kiiremad kui nende bioloogilised kolleegid.

Vaatamata kiirele edule sügav õpe viimase kümnendi jooksul on see ajust inspireeritud lähenemine AI seisab silmitsi väljakutsega, et see töötab riistvaral, millel on vähe sarnasust pärisajuga. See on suur osa põhjusest, miks kõigest kolm naela kaaluv inimaju suudab uusi ülesandeid sooritada sekunditega, kasutades sama palju võimsust kui lambipirn, samas kui suurimate närvivõrkude treenimiseks kulub nädalaid, megavatt-tunde elektrit ja nagid. spetsialiseeritud protsessoritest.

See tekitab kasvavat huvi tehisintellekti aluseks oleva riistvara ümberkujundamiseks. Idee seisneb selles, et ehitades arvutikiipe, mille komponendid toimivad rohkem nagu looduslikud neuronid ja sünapsid, võiksime läheneda inimaju äärmuslikule ruumi- ja energiatõhususele. Loodetavasti sobivad need nn neuromorfsed protsessorid AI käitamiseks palju paremini kui tänapäevased arvutikiibid.

Nüüd on MIT-i teadlased näidanud, et ebatavaline kunstlik sünapsi kujundus, mis jäljendab aju sõltuvust ümber liikuvatest ioonidest, võib tegelikult oluliselt ületada bioloogilisi. Peamine läbimurre oli materjali leidmine, mis talub äärmuslikke elektrivälju, mis parandas oluliselt ioonide liikumiskiirust.

"Kiirus oli kindlasti üllatav," ütles uuringut juhtinud Murat Onen. ütles pressiteates. "Tavaliselt me ​​selliseid äärmuslikke välju seadmete vahel ei rakendaks, et neid mitte tuhaks muuta. Kuid selle asemel liikusid prootonid [mis on samaväärsed vesinikioonidega] tohutu kiirusega üle seadme virna, täpsemalt miljon korda kiiremini kui varem.

Kuigi on olemas a erinevaid lähenemisviise neuromorfsele inseneritööle, üks paljutõotavamaid on analoogarvutus. Selle eesmärk on kavandada komponente, mis saavad teabe töötlemiseks ära kasutada oma sisemist füüsikat, mis on palju tõhusam ja otsesem kui keerukate loogiliste toimingute tegemine, nagu seda teevad tavalised kiibid.

Seni on palju uuringuid keskendunud disainilememristorid”—elektroonilised komponendid, mis juhivad voolu voolu vastavalt sellele, kui palju laengut on varem voolanuded seadme kaudu. See jäljendab viisi, kuidas bioloogiliste neuronite vahelised ühendused suurenevad või vähenevad sõltuvalt nende suhtlemise sagedusest, mis tähendab, et neid seadmeid saab põhimõtteliselt kasutada bioloogiliste närvivõrkudega sarnaste omadustega võrkude loomiseks.

Võib-olla pole üllatav, et need seadmed on sageli ehitatud mälutehnoloogiate abil. Aga uues paber sisse teadus, MIT-i teadlased väidavad, et pikaajaliseks teabesalvestuseks optimeeritud komponendid ei sobi tegelikult tehisnärvivõrgu ühenduse tugevuste pidevaks häälestamiseks vajalike regulaarsete olekuüleminekute läbiviimiseks. Selle põhjuseks on asjaolu, et pika säilitusaja tagavad füüsikalised omadused ei ole tavaliselt suuremad kui need, mis võimaldavad kiiret ümberlülitamist.

Seetõttu on teadlased selle asemel välja töötanud komponendi, mille juhtivust reguleerib prootonite sisestamine või eemaldamine fosfosilikaatklaasist (PSG) valmistatud kanalisse. Teatud määral jäljendab see bioloogiliste sünapside käitumist, mis kasutavad ioone signaalide edastamiseks üle kahe neuroni vahelise pilu.

Siiski on see koht, kus sarnasust lõpp. Seadmel on kaks terminali, mis on sisuliselt sünapsi sisend ja väljund. Kolmandat terminali kasutatakse elektrivälja rakendamiseks, mis stimuleerib prootoneid liikuma reservuaarist PSG kanalisse või vastupidi, sõltuvalt elektrivälja suunast. Rohkem prootoneid kanalis suurendab selle takistust.

Teadlased tuli sellega hakkama ülddisain 2020. aastal, kuid nende varasem seade kasutas materjale, mis ei ühildunud kiibi kujundamise protsessidega. Kuid mis veelgi olulisem, üleminek PSG-le on nende seadme lülituskiirust järsult suurendanud. Selle põhjuseks on asjaolu, et selle struktuuris olevad nano-suurused poorid võimaldavad prootonitel väga kiiresti läbi materjali liikuda ja ka seetõttu, et see talub väga tugevaid elektrivälja impulsse ilma lagunemiseta.

Võimsamad elektriväljad suurendavad prootonitele tohutult kiirust ja on võtmeks seadme suutlikkuses ületada bioloogilisi sünapse. Ajus tuleb elektrivälju hoida suhteliselt nõrgana, sest kõik, mis on üle 1.23 volti (V), põhjustab vett, mis moodustabs suurem osa rakkudest jagunevad gaasiliseks vesinikuks ja hapnikuks. See on suuresti põhjus, miks neuroloogilised protsessid toimuvad millisekundite skaalal.

Seevastu MIT-i meeskonna seade on võimeline töötama kuni 10 volti impulssidega, mis on nii lühikesed kui 5 nanosekundit. See võimaldab kunstlikul sünapsil töötada 10,000 XNUMX korda kiiremini kui tema bioloogiline vastes. Lisaks on seadmete läbimõõt vaid nanomeetrid, mistõttu on need 1,000 korda väiksemad kui bioloogilised sünapsid.

Eksperdid ütles New Scientist et seadme kolme terminali seadistus, erinevalt kahest, mis leidub enamikus neuronimudelites, võib raskendada teatud tüüpi närvivõrkude käitamist. Asjaolu, et prootoneid tuleb sisestada gaasilise vesiniku abil, tekitab väljakutseid ka tehnoloogia laiendamisel.

Individuaalsest kunstlikust sünapsist suurte võrkudeni, mis on võimelised läbi viima tõsist teabetöötlust, on veel pikk tee. Kuid komponentide erakordne kiirus ja väike suurus viitavad sellele, et see on paljutõotav suund uue riistvara otsimisel, mis suudaks võrrelda või isegi ületada inimaju võimsust.

Image Credit: Ella Maru Stuudio/Murat Onen