Peneliti MIT Membuat Sinapsis Buatan 10,000x Lebih Cepat Dari Sinapsis Biologis

Para peneliti telah mencoba membangun sinapsis buatan selama bertahun-tahun dengan harapan mendekati kinerja komputasi otak manusia yang tak tertandingi. Sebuah pendekatan baru kini telah berhasil merancang yang 1,000 kali lebih kecil dan 10,000 kali lebih cepat daripada rekan biologis mereka.

Meskipun sukses melarikan diri dari belajar mendalam selama dekade terakhir, pendekatan yang diilhami otak ini untuk AI menghadapi tantangan bahwa ia berjalan pada perangkat keras yang memiliki sedikit kemiripan dengan otak nyata. Ini adalah sebagian besar alasan mengapa otak manusia dengan berat hanya tiga pon dapat mengambil tugas baru dalam hitungan detik menggunakan jumlah daya yang sama seperti bola lampu, sementara melatih jaringan saraf terbesar membutuhkan waktu berminggu-minggu, megawatt jam listrik, dan rak. dari prosesor khusus.

Itu mendorong minat yang semakin besar dalam upaya mendesain ulang perangkat keras yang mendasari AI berjalan. Idenya adalah bahwa dengan membangun chip komputer yang komponennya bertindak lebih seperti neuron dan sinapsis alami, kita mungkin dapat mendekati ruang ekstrim dan efisiensi energi dari otak manusia. Harapannya adalah bahwa apa yang disebut prosesor "neuromorfik" ini bisa jauh lebih cocok untuk menjalankan AI daripada yang ada saat ini. chip komputer.

Sekarang para peneliti dari MIT telah menunjukkan bahwa desain sinapsis buatan yang tidak biasa yang meniru ketergantungan otak pada ion bolak-balik di sekitar sebenarnya dapat secara signifikan mengungguli yang biologis. Terobosan kuncinya adalah menemukan bahan yang mentolerir medan listrik ekstrem, yang secara dramatis meningkatkan kecepatan pergerakan ion.

"Kecepatannya tentu mengejutkan,” Murat Onen, yang memimpin penelitian, mengatakan dalam siaran pers. “Biasanya, kami tidak akan menerapkan medan ekstrem seperti itu di seluruh perangkat, agar tidak mengubahnya menjadi abu. Tapi sebaliknya, proton [yang setara dengan ion hidrogen] akhirnya bergerak dengan kecepatan luar biasa di seluruh perangkat, khususnya satu juta kali lebih cepat dibandingkan dengan yang kita miliki sebelumnya.”

Meskipun ada a berbagai pendekatan untuk rekayasa neuromorfik, salah satu yang paling menjanjikan adalah komputasi analog. Ini berupaya merancang komponen yang dapat memanfaatkan fisika internalnya untuk memproses informasi, yang jauh lebih efisien dan langsung daripada melakukan operasi logika kompleks seperti yang dilakukan chip konvensional.

Sejauh ini, banyak penelitian telah difokuskan pada desain “memori”—komponen elektronik yang mengontrol aliran arus berdasarkan berapa banyak muatan yang sebelumnya mengalired melalui perangkat. Ini meniru cara koneksi antara neuron biologis bertambah atau berkurang kekuatannya tergantung pada frekuensi mereka berkomunikasi, yang berarti perangkat ini pada prinsipnya dapat digunakan untuk membuat jaringan dengan sifat yang mirip dengan jaringan saraf biologis.

Mungkin tidak mengherankan, perangkat ini sering dibuat menggunakan teknologi memori. Tapi di baru kertas masuk Ilmu, para peneliti MIT berpendapat bahwa komponen yang dioptimalkan untuk penyimpanan informasi jangka panjang sebenarnya tidak cocok untuk melakukan transisi keadaan reguler yang diperlukan untuk terus menyesuaikan kekuatan koneksi dalam jaringan saraf tiruan. Itu karena sifat fisik yang memastikan waktu retensi yang lama biasanya tidak gratis dengan yang memungkinkan peralihan kecepatan tinggi.

Inilah sebabnya mengapa para peneliti malah merancang komponen yang konduktivitasnya diatur oleh penyisipan atau pelepasan proton ke dalam saluran yang terbuat dari kaca fosfosilikat (PSG). Sampai batas tertentu, ini meniru perilaku sinapsis biologis, yang menggunakan ion untuk mengirimkan sinyal melintasi celah antara dua neuron.

Namun, di situlah kesamaannyaies akhir. Perangkat ini memiliki dua terminal yang pada dasarnya adalah input dan output dari sinaps. Terminal ketiga digunakan untuk menerapkan medan listrik, yang merangsang proton untuk bergerak dari reservoir ke saluran PSG atau sebaliknya tergantung pada arah medan listrik. Lebih banyak proton di saluran meningkatkan resistensinya.

Para peneliti datang dengan ini desain umum kembali pada tahun 2020, tetapi perangkat mereka sebelumnya menggunakan bahan yang tidak kompatibel dengan proses desain chip. Tetapi yang lebih penting, peralihan ke PSG telah secara dramatis meningkatkan kecepatan peralihan perangkat mereka. Itu karena pori-pori berukuran nano dalam strukturnya memungkinkan proton bergerak sangat cepat melalui material, dan juga karena dapat menahan pulsa medan listrik yang sangat kuat tanpa mengalami penurunan.

Medan listrik yang lebih kuat memberikan proton dorongan kecepatan besar dan merupakan kunci kemampuan perangkat untuk mengungguli sinapsis biologis. Di otak, medan listrik harus dijaga agar relatif lemah karena apa pun yang melebihi 1.23 volt (V) menyebabkan air yang membuats sebagian besar sel untuk dipecah menjadi gas hidrogen dan oksigen. Ini sebagian besar mengapa proses neurologis terjadi pada skala milidetik.

Sebaliknya, perangkat tim MIT mampu beroperasi hingga 10 volt dalam pulsa sesingkat 5 nanodetik. Ini memungkinkan sinapsis buatan untuk beroperasi 10,000 kali lebih cepat daripada rekan biologisnyas. Selain itu, perangkat hanya berukuran nanometer, membuatnya 1,000 kali lebih kecil dari sinapsis biologis.

Profesional mengatakan New Scientist bahwa pengaturan tiga terminal perangkat, yang bertentangan dengan dua yang ditemukan di sebagian besar model neuron, mungkin menyulitkan untuk menjalankan jenis jaringan saraf tertentu. Fakta bahwa proton harus diperkenalkan menggunakan gas hidrogen juga menghadirkan tantangan saat meningkatkan teknologi.

Ada jalan panjang untuk beralih dari sinapsis buatan individu ke jaringan besar yang mampu melakukan pemrosesan informasi yang serius. Namun kecepatan yang luar biasa dan ukuran komponen yang kecil menunjukkan bahwa ini adalah arah yang menjanjikan dalam pencarian perangkat keras baru yang dapat menandingi atau bahkan melebihi kekuatan otak manusia.

Gambar Kredit: Studio Ella Maru/Murat Onen