MIT-tutkijat luovat keinotekoisia synapseja 10,000 XNUMX kertaa nopeammin kuin biologiset

Tutkijat ovat yrittäneet rakentaa keinotekoisia synapseja vuosia toivoen pääsevänsä lähelle ihmisaivojen vertaansa vailla olevaa laskennallista suorituskykyä. Uusi lähestymistapa on nyt onnistunut suunnittelemaan sellaisia, jotka ovat 1,000 kertaa pienempiä ja 10,000 XNUMX kertaa nopeampia kuin biologiset vastineensa.

Huolimatta karanneet menestyksestä syvä oppiminen viimeisen vuosikymmenen aikana tämä aivojen inspiroima lähestymistapa AI kohtaa haasteen, että se toimii laitteistolla, joka ei juurikaan muistuta oikeita aivoja. Tämä on iso osa syy siihen, miksi vain kolme kiloa painavat ihmisaivot pystyvät poimimaan uusia tehtäviä sekunneissa käyttämällä samaa tehoa kuin hehkulamppu, kun taas suurimpien hermoverkkojen harjoitteleminen vie viikkoja, megawattituntia sähköä ja telineitä erikoistuneista prosessoreista.

Tämä herättää kasvavaa kiinnostusta pyrkimyksiä suunnitella uudelleen taustalla olevan laitteiston tekoäly toimii. Ajatuksena on, että rakentamalla tietokonesiruja, joiden komponentit toimivat enemmän kuin luonnolliset hermosolut ja synapsit, voimme ehkä lähestyä ihmisaivojen äärimmäistä tilaa ja energiatehokkuutta. Toivotaan, että nämä niin sanotut "neuromorfiset" prosessorit voisivat sopia paljon paremmin tekoälyn suorittamiseen kuin nykyiset tietokonepiirit.

Nyt MIT:n tutkijat ovat osoittaneet, että epätavallinen keinotekoinen synapsirakenne, joka jäljittelee aivojen riippuvuutta ionien kuljettamisesta ympäriinsä, voisi itse asiassa olla merkittävästi parempi kuin biologiset. Tärkein läpimurto oli materiaalin löytäminen, joka sietää äärimmäisiä sähkökenttiä, mikä paransi dramaattisesti ionien liikkumisnopeutta.

"Nopeus oli varmasti yllättävä, tutkimusta johtanut Murat Onen sanoi lehdistötiedotteessa. ”Tavallisesti emme käyttäisi niin äärimmäisiä kenttiä laitteissa, jotta ne eivät muuttuisi tuhkaksi. Mutta sen sijaan protonit [jotka vastaavat vetyioneja] päätyivät kulkemaan valtavilla nopeuksilla laitepinon poikki, erityisesti miljoona kertaa nopeammin kuin mitä meillä oli aiemmin.

Vaikka on olemassa a erilaisia ​​lähestymistapoja neuromorfiseen suunnitteluun, yksi lupaavimmista on analoginen laskenta. Tällä pyritään suunnittelemaan komponentteja, jotka voivat hyödyntää sisäistä fysiikkaa tietojen käsittelyssä, mikä on paljon tehokkaampaa ja suorempaa kuin monimutkaisten logiikkatoimintojen suorittaminen, kuten perinteiset sirut tekevät.

Toistaiseksi paljon tutkimusta on keskittynyt suunnitteluunmemristors”—elektroniset komponentit, jotka ohjaavat virran kulkua sen perusteella, kuinka paljon varausta on aiemmin virtannuted laitteen kautta. Tämä jäljittelee tapaa, jolla biologisten hermosolujen väliset yhteydet lisääntyvät tai heikkenevät niiden kommunikaatiotaajuudesta riippuen, mikä tarkoittaa, että näitä laitteita voitaisiin periaatteessa käyttää luomaan verkkoja, joilla on samanlaiset ominaisuudet kuin biologisilla hermoverkoilla.

Ehkä ei ole yllättävää, että nämä laitteet on usein rakennettu käyttämällä muistitekniikoita. Mutta uudessa paperi sisään tiede, MIT-tutkijat väittävät, että pitkäkestoiseen tiedontallennukseen optimoidut komponentit eivät itse asiassa sovellu säännöllisten tilasiirtymien suorittamiseen, joita tarvitaan jatkuvaan yhteyden vahvuuksien virittämiseen keinotekoisessa hermoverkossa. Tämä johtuu siitä, että fyysiset ominaisuudet, jotka takaavat pitkän säilytysajan, eivät yleensä ole täydentäviä sellaisille, jotka mahdollistavat nopean kytkennän.

Tästä syystä tutkijat ovat sen sijaan suunnitelleet komponentin, jonka johtavuutta säätelee protonien lisääminen tai poistaminen fosfosilikaattilasista (PSG) valmistettuun kanavaan. Tietyssä määrin tämä jäljittelee biologisten synapsien käyttäytymistä, jotka käyttävät ioneja lähettämään signaaleja kahden neuronin välisen raon yli.

Tässä on kuitenkin samankaltaisuust loppu. Laitteessa on kaksi liitintä, jotka ovat olennaisesti synapsin tulo ja lähtö. Kolmannella liittimellä käytetään sähkökenttää, joka stimuloi protoneja siirtymään säiliöstä PSG-kanavaan tai päinvastoin riippuen sähkökentän suunnasta. Enemmän protoneja kanavassa lisää sen vastusta.

Tutkijat tuli tämän kanssa yleinen suunnittelu vuonna 2020, mutta heidän aikaisemmissa laitteissaan käytettiin materiaaleja, jotka eivät olleet yhteensopivia sirusuunnitteluprosessien kanssa. Mutta mikä tärkeintä, vaihtaminen PSG:hen on lisännyt dramaattisesti heidän laitteensa vaihtonopeutta. Tämä johtuu siitä, että sen rakenteen nanokokoiset huokoset mahdollistavat protonien liikkumisen erittäin nopeasti materiaalin läpi, ja myös siksi, että se kestää erittäin voimakkaita sähkökenttäpulsseja hajoamatta.

Tehokkaammat sähkökentät antavat protoneille valtavan nopeuden ja ovat avainasemassa laitteen kyvyssä ylittää biologiset synapsit. Aivoissa sähkökentät on pidettävä suhteellisen heikkoina, koska kaikki yli 1.23 volttia (V) aiheuttaa veden, joka muodostaas suurin osa soluista hajoaa vedyksi ja happikaasuksi. Tästä syystä neurologiset prosessit tapahtuvat millisekuntien mittakaavassa.

Sitä vastoin MIT-tiimin laite pystyy toimimaan jopa 10 voltilla jopa 5 nanosekunnin pulsseilla. Tämä mahdollistaa keinotekoisen synapsin toiminnan 10,000 XNUMX kertaa nopeammin kuin sen biologinen vastines. Lisäksi laitteet ovat halkaisijaltaan vain nanometrejä, mikä tekee niistä 1,000 kertaa pienempiä kuin biologiset synapsit.

Asiantuntijat kertoi New Scientist että laitteen kolmen terminaalin kokoonpano, toisin kuin useimmissa hermosolumalleissa, saattaa vaikeuttaa tietynlaisten hermoverkkojen käyttöä. Se, että protonit on tuotava sisään vetykaasulla, asettaa myös haasteita teknologian laajennuksessa.

Yksittäisestä keinotekoisesta synapsista suuriin verkkoihin, jotka pystyvät suorittamaan vakavaa tiedonkäsittelyä, on pitkä matka. Mutta komponenttien poikkeuksellinen nopeus ja pieni koko viittaavat siihen, että tämä on lupaava suunta uuden laitteiston etsinnässä, joka voi vastata ihmisaivojen tehoa tai jopa ylittää sen.

Kuva pistetilanne: Ella Maru Studio/Murat Onen