Uusi laskentaparadigma, nimeltään neuromorfinen laskenta, jäljittelee hermosolujen olennaisia synaptisia toimintoja aivojen käyttäytymisen simuloimiseksi. Neuronaalinen plastisuus, joka liittyy oppimiseen ja muistiin, on yksi näistä toiminnoista. Tämän plastisuuden ansiosta neuronit voivat tallentaa tietoa tai unohtaa sen riippuen niitä aktivoivien sähköisten impulssien pituudesta ja taajuudesta.
Memresistiiviset materiaalit, ferrosähköiset materiaalit, vaiheenmuutosmuistimateriaalit, topologiset eristeet ja viime aikoina magneto-ionimateriaalit erottuvat muistuttavista materiaaleista neuronien synapsit. Jälkimmäisessä sähkökentän kohdistaminen aiheuttaa ionien siirtymisen materiaalin sisällä, mikä muuttaa aineen magneettisia ominaisuuksia.
Vaikka magnetismin modulaatio näissä materiaaleissa sähkökenttää käytettäessä ymmärretään hyvin, on haastavaa hallita magneettisten ominaisuuksien kehitystä, kun jännite lakkaa (eli ärsykkeen jälkeistä kehitystä). Tämä vaikeuttaa joidenkin aivojen inspiroimien prosessien toistamista, kuten oppimisen tehokkaan ylläpitämisen, vaikka aivot ovat syvän unen tilassa (eli ilman ulkoista stimulaatiota).
Uudessa tutkimuksessa tutkijat UAB Fysiikan laitos Jordi Sort ja Enric Menéndez ehdottivat yhteistyössä ALBA Synchrotronin, Katalonian nanotieteen ja nanoteknologian instituutin (ICN2) ja ICMAB:n kanssa uutta tapaa hallita magnetisoinnin kehitystä sekä stimuloidussa että post- ärsyketilat.
He ovat kehittäneet magneettisen materiaalin, joka pystyy jäljittelemään tapaa, jolla aivot tallentavat tietoa. Tämän materiaalin ansiosta on mahdollista jäljitellä neuronien synapseja ja matkia ensimmäistä kertaa syvän unen aikana tapahtuva oppiminen.
Tutkijat kehittivät materiaalin, joka perustuu ohueen kobolttimononitridikerrokseen (CoN), jossa sähkökenttää käyttämällä voidaan ohjata N-ionien kerääntymistä kerroksen ja nestemäisen elektrolyytin väliseen rajapintaan, johon kerros on sijoitettu.
ICREAn tutkimusprofessori Jordi Sort ja Serra Húnter Tenure-track -professori Enric Menéndez sanoivat: ”Uusi materiaali toimii sähköjännitteellä ohjattujen ionien liikkeen kanssa analogisesti meidän kanssamme aivot, ja nopeuksilla, jotka ovat samankaltaisia kuin neuroneissa tuotetut, millisekuntien luokkaa. Olemme kehittäneet keinotekoisen synapsin, joka voi tulevaisuudessa olla pohjana uudelle laskentaparadigmalle, vaihtoehtona nykyisten tietokoneiden käyttämälle.
Jännitepulsseja käyttämällä on voitu jäljitellä kontrolloidusti prosesseja, kuten muistia, tietojenkäsittely, tiedonhaku ja ensimmäistä kertaa hallittu tiedon päivitys ilman jännitettä.
Kobolttimononitridikerroksen paksuutta, joka ohjaa ionien liikkumisnopeutta, ja pulssin taajuutta muutettiin tämän ohjauksen saavuttamiseksi.
Materiaalin järjestely mahdollistaa magnetoionisten ominaisuuksien säätelyn paitsi jännitteen kytkemisen yhteydessä, myös ensimmäistä kertaa jännitettä poistettaessa. Kun ulkoinen jänniteärsyke katoaa, järjestelmän magnetointia voidaan vähentää tai lisätä riippuen materiaalin paksuudesta ja jännitteen aiemman käyttötavan protokollasta.
Laaja valikoima uusia neuromorfisia laskentatoimintoja on nyt mahdollista tämän uuden tuloksen ansiosta. Se tarjoaa uudenlaisen logiikkatoiminnon, jonka avulla voidaan esimerkiksi simuloida hermosolujen oppimista aivostimulaation jälkeen, kun nukumme syvään. Muut tällä hetkellä markkinoilla olevat neuromorfiset materiaalit eivät pysty jäljittelemään näitä ominaisuuksia.
Jordi Sort ja Enric Menendez sanoi, ”Kun kobolttimononitridikerroksen paksuus on alle 50 nanometriä ja jännitteen ollessa yli 100 sykliä sekunnissa, olemme onnistuneet emuloimaan ylimääräistä logiikkatoimintoa: kun jännite on kytketty, laite voidaan ohjelmoida oppia tai unohtaa ilman ylimääräistä energiansyöttöä jäljittelemällä synaptisia toimintoja, jotka tapahtuvat aivoissa syvän unen aikana, jolloin tiedonkäsittely voi jatkua ilman ulkopuolista signaalia."
Lehden viite:
- Zhengwei Tan, Julius de Rojas, Sofia Martins, Aitor Lopeandia, Alberto Quintana, Matteo Cialone, Javier Herrero-Martín, Johan Meersschaut, André Vantomme, José L. Costa-Krämer, Jordi Sort, Enric Menéndez. Taajuusriippuvainen stimuloitu ja jälkistimuloitu magnetismin säätö siirtymämetallinitrideissä: kohti aivojen inspiroimaa magneto-ioniikkaa. Materiaalit Horizonit, 2022. DOI: 10.1039/D2MH01087A
