I ricercatori del MIT creano sinapsi artificiali 10,000 volte più veloci di quelle biologiche

I ricercatori hanno cercato di costruire sinapsi artificiali per anni nella speranza di avvicinarsi alle prestazioni computazionali senza rivali del cervello umano. Un nuovo approccio è ora riuscito a progettarne di 1,000 volte più piccoli e 10,000 volte più veloci delle loro controparti biologiche.

Nonostante il successo travolgente di apprendimento profondo negli ultimi dieci anni, questo approccio ispirato al cervello AI affronta la sfida che sta girando su hardware che ha poca somiglianza con i cervelli reali. Questa è una parte importante del motivo per cui un cervello umano che pesa solo tre libbre può svolgere nuove attività in pochi secondi utilizzando la stessa quantità di energia di una lampadina, mentre l'allenamento delle reti neurali più grandi richiede settimane, megawattora di elettricità e rack di trasformatori specializzati.

Ciò sta suscitando un crescente interesse per gli sforzi per riprogettare l'hardware sottostante su cui gira l'IA. L'idea è che costruendo chip per computer i cui componenti agiscono più come neuroni e sinapsi naturali, potremmo essere in grado di avvicinarci allo spazio estremo e all'efficienza energetica del cervello umano. La speranza è che questi cosiddetti processori "neuromorfi" possano essere molto più adatti all'esecuzione dell'IA rispetto a quelli odierni chip per computer.

Ora i ricercatori del MIT hanno dimostrato che un insolito progetto di sinapsi artificiale che imita la dipendenza del cervello dagli ioni in movimento potrebbe effettivamente superare in modo significativo quelli biologici. La svolta fondamentale è stata la ricerca di un materiale in grado di tollerare campi elettrici estremi, che ha migliorato notevolmente la velocità con cui gli ioni potevano muoversi.

"La velocità è stata certamente sorprendente", Murat Onen, che ha guidato la ricerca, ha detto in un comunicato stampa. “Normalmente, non applicheremmo campi così estremi su tutti i dispositivi, per non trasformarli in cenere. Ma invece, i protoni [che sono equivalenti agli ioni idrogeno] hanno finito per spostarsi a velocità enormi attraverso lo stack del dispositivo, in particolare un milione di volte più velocemente rispetto a quello che avevamo prima.

Mentre ci sono a varietà di approcci all'ingegneria neuromorfica, uno dei più promettenti è il calcolo analogico. Questo cerca di progettare componenti in grado di sfruttare la loro fisica interna per elaborare le informazioni, il che è molto più efficiente e diretto rispetto all'esecuzione di complesse operazioni logiche come fanno i chip convenzionali.

Finora molte ricerche si sono concentrate sulla progettazione”memristori”—componenti elettronici che controllano il flusso di corrente in base a quanta carica è passata in precedenzaed attraverso il dispositivo. Questo imita il modo in cui le connessioni tra i neuroni biologici aumentano o diminuiscono di forza a seconda della frequenza con cui comunicano, il che significa che questi dispositivi potrebbero in linea di principio essere utilizzati per creare reti con proprietà simili alle reti neurali biologiche.

Forse non sorprende che questi dispositivi siano spesso costruiti utilizzando tecnologie di memoria. Ma in un nuovo carta dentro Scienze, i ricercatori del MIT sostengono che i componenti ottimizzati per l'archiviazione di informazioni a lungo termine sono in realtà inadatti a eseguire le normali transizioni di stato necessarie per regolare continuamente i punti di forza della connessione in una rete neurale artificiale. Questo perché le proprietà fisiche che garantiscono lunghi tempi di ritenzione in genere non sono complementari a quelle che consentono la commutazione ad alta velocità.

Per questo i ricercatori hanno invece progettato un componente la cui conduttività è regolata dall'inserimento o dalla rimozione di protoni in un canale di vetro fosfosilicato (PSG). In una certa misura, questo imita il comportamento delle sinapsi biologiche, che usano gli ioni per trasmettere segnali attraverso il divario tra due neuroni.

Tuttavia, è qui che la somiglianzai fine. Il dispositivo è dotato di due terminali che sono essenzialmente l'ingresso e l'uscita della sinapsi. Un terzo terminale viene utilizzato per applicare un campo elettrico, che stimola i protoni a spostarsi da un serbatoio nel canale PSG o viceversa a seconda della direzione del campo elettrico. Più protoni nel canale ne aumentano la resistenza.

I ricercatori è venuto su con questo design generale nel 2020, ma il loro dispositivo precedente utilizzava materiali che non erano compatibili con i processi di progettazione dei chip. Ma soprattutto, il passaggio al PSG ha aumentato notevolmente la velocità di commutazione del loro dispositivo. Questo perché i pori di dimensioni nanometriche nella sua struttura consentono ai protoni di muoversi molto rapidamente attraverso il materiale e anche perché può resistere a impulsi di campo elettrico molto forti senza degradarsi.

Campi elettrici più potenti danno ai protoni un enorme aumento di velocità e sono fondamentali per la capacità del dispositivo di superare le sinapsi biologiche. Nel cervello, i campi elettrici devono essere mantenuti relativamente deboli perché qualsiasi cosa superiore a 1.23 volt (V) provoca l'acqua che produces la maggior parte delle cellule per dividersi in idrogeno e ossigeno gassoso. Questo è in gran parte il motivo per cui i processi neurologici si verificano sulla scala dei millisecondi.

Al contrario, il dispositivo del team del MIT è in grado di funzionare fino a 10 volt con impulsi di appena 5 nanosecondi. Ciò consente alla sinapsi artificiale di operare 10,000 volte più velocemente della sua controparte biologicas. Inoltre, i dispositivi sono larghi solo nanometri, il che li rende 1,000 volte più piccoli delle sinapsi biologiche.

Esperti detto New Scientist che la configurazione a tre terminali del dispositivo, al contrario dei due presenti nella maggior parte dei modelli di neuroni, potrebbe rendere difficile l'esecuzione di determinati tipi di reti neurali. Anche il fatto che i protoni debbano essere introdotti usando idrogeno gassoso presenta sfide quando si aumenta la tecnologia.

C'è molta strada da fare da una singola sinapsi artificiale a grandi reti in grado di eseguire una seria elaborazione delle informazioni. Ma la velocità eccezionale e le dimensioni ridotte dei componenti suggeriscono che questa è una direzione promettente nella ricerca di nuovo hardware che possa eguagliare o addirittura superare la potenza del cervello umano.

Immagine di credito: Studio Ella Maru/Murat Onen