חוקרי MIT יוצרים סינפסות מלאכותיות פי 10,000 מהר יותר מאלו הביולוגיות

חוקרים מנסים לבנות סינפסות מלאכותיות במשך שנים בתקווה להתקרב לביצועים החישוביים ללא תחרות של המוח האנושי. גישה חדשה הצליחה כעת לתכנן כאלה שקטנים פי 1,000 ופי 10,000 מהירים יותר ממקבילותיהם הביולוגיות.

למרות ההצלחה הבורחת של למידה עמוקה במהלך העשור האחרון, גישה זו בהשראת המוח AI מתמודד עם האתגר שהוא פועל על חומרה שמזכירה מעט למוחות אמיתיים. זהו חלק גדול מהסיבה לכך שמוח אנושי השוקל רק שלושה קילוגרמים יכול לקלוט משימות חדשות תוך שניות תוך שימוש באותה כמות כוח כמו נורה, בעוד אימון הרשתות העצבית הגדולות ביותר לוקח שבועות, שעות מגה וואט של חשמל ומתלים. של מעבדים מיוחדים.

זה מעורר עניין גובר במאמצים לעצב מחדש את החומרה הבסיסית של AI. הרעיון הוא שעל ידי בניית שבבי מחשב שמרכיביהם פועלים יותר כמו נוירונים טבעיים וסינפסות, אולי נוכל להתקרב ליעילות האנרגיה והמרחב הקיצונית של המוח האנושי. התקווה היא שהמעבדים המכונה "נוירומורפיים" אלה יכולים להיות מתאימים הרבה יותר להפעלת AI מאשר המעבדים של היום שבבי מחשב.

כעת חוקרים מ-MIT הראו שעיצוב סינפסה מלאכותי יוצא דופן המחקה את ההסתמכות של המוח על הסעות יונים מסביב, יכול למעשה להעלות משמעותית על אלה הביולוגיים. פריצת הדרך העיקרית הייתה מציאת חומר שסובל שדות חשמליים קיצוניים, מה ששיפר באופן דרמטי את המהירות שבה יונים יכלו לנוע.

"המהירות בהחלט הייתה מפתיעה", מוראט אונן, שהוביל את המחקר, אמר בהודעה לעיתונות. "בדרך כלל, לא היינו מיישמים שדות קיצוניים כאלה על פני מכשירים, כדי לא להפוך אותם לאפר. אבל במקום זאת, פרוטונים [ששווים ליוני מימן] הסתיימו במהירויות עצומות על פני ערימת המכשיר, במיוחד פי מיליון מהר יותר בהשוואה למה שהיה לנו קודם."

בעוד שיש a מגוון גישות להנדסה נוירומורפית, אחת המבטיחות ביותר היא מחשוב אנלוגי. זה מבקש לתכנן רכיבים שיכולים לנצל את הפיזיקה הפנימית שלהם לעיבוד מידע, שהוא הרבה יותר יעיל וישיר מאשר ביצוע פעולות לוגיות מורכבות כמו שבבים רגילים עושים.

עד כה, הרבה מחקרים התמקדו בעיצוב "ממריסטורים"-רכיבים אלקטרוניים השולטים בזרימת הזרם בהתבסס על כמות המטען שזרם בעברed דרך המכשיר. זה מחקה את האופן שבו הקשרים בין נוירונים ביולוגיים גדלים או יורדים בעוצמתם בהתאם לתדירות שבה הם מתקשרים, מה שאומר שהמכשירים הללו יכולים לשמש באופן עקרוני ליצירת רשתות בעלות תכונות דומות לרשתות עצביות ביולוגיות.

אולי באופן לא מפתיע, מכשירים אלה נבנים לרוב באמצעות טכנולוגיות זיכרון. אבל בחדש נייר פנימה מדע, חוקרי ה-MIT טוענים שרכיבים המותאמים לאחסון מידע לטווח ארוך אינם מתאימים למעשה לביצוע מעברי המצב הרגילים הנדרשים כדי לכוונן ללא הרף את עוצמות החיבור ברשת עצבית מלאכותית. הסיבה לכך היא שתכונות פיזיקליות המבטיחות זמני שמירה ארוכים בדרך כלל אינן משלימות לאלו המאפשרות מיתוג במהירות גבוהה.

זו הסיבה שהחוקרים תכננו במקום זאת רכיב שמוליכותו מווסתת על ידי הכנסת או הסרה של פרוטונים לתעלה העשויה מזכוכית פוספוסיליקט (PSG). במידה מסוימת, זה מחקה את ההתנהגות של סינפסות ביולוגיות, המשתמשות ביונים כדי להעביר אותות על פני הפער בין שני נוירונים.

עם זאת, זה המקום שבו הדמיוןies סוֹף. המכשיר כולל שני מסופים שהם בעצם הקלט והפלט של הסינפסה. טרמינל שלישי משמש להפעלת שדה חשמלי, אשר מגרה פרוטונים לעבור ממאגר לתוך ערוץ PSG או להיפך בהתאם לכיוון השדה החשמלי. יותר פרוטונים בתעלה מגבירים את ההתנגדות שלו.

החוקרים הגיע לעלות עם זה עיצוב כללי בשנת 2020, אבל המכשיר הקודם שלהם השתמש בחומרים שלא היו תואמים לתהליכי עיצוב שבבים. אבל חשוב מכך, המעבר ל-PSG העלה באופן דרמטי את מהירות המעבר של המכשיר שלהם. הסיבה לכך היא שנקבוביות בגודל ננו במבנה שלה מאפשרות לפרוטונים לנוע מהר מאוד בחומר, וגם בגלל שהוא יכול לעמוד בפעימות שדה חשמלי חזקות מאוד מבלי להתדרדר.

שדות חשמליים חזקים יותר נותנים לפרוטונים הגברת מהירות מסיבית והם המפתח ליכולת של המכשיר לעלות על סינפסות ביולוגיות. במוח, יש לשמור על שדות חשמליים חלשים יחסית מכיוון שכל דבר מעל 1.23 וולט (V) גורם למים שיוצריםs להעלות את עיקר התאים להתפצל למימן ולגז חמצן. זו בעיקר הסיבה שתהליכים נוירולוגיים מתרחשים בקנה מידה של אלפיות שניות.

לעומת זאת, המכשיר של צוות MIT מסוגל לפעול עד 10 וולט בפולסים קצרים כמו 5 ננו-שניות. זה מאפשר לסינפסה המלאכותית לפעול פי 10,000 מהר יותר מהמקבילה הביולוגית שלהs. נוסף על כך, גודלם של המכשירים ננומטרים בלבד, מה שהופך אותם לקטנים פי 1,000 מסינפסות ביולוגיות.

מומחים אמר לי מדען חדש שהגדרת שלושת הטרמינלים של המכשיר, בניגוד לשני המצויים ברוב דגמי הנוירונים, עלולה להקשות על הפעלת סוגים מסוימים של רשתות עצביות. העובדה שיש להחדיר את הפרוטונים באמצעות גז מימן מציבה גם אתגרים בעת הרחבת הטכנולוגיה.

יש דרך ארוכה לעבור מסינפסה מלאכותית בודדת לרשתות גדולות שמסוגלות לבצע עיבוד מידע רציני. אבל המהירות יוצאת הדופן והגודל הזעיר של הרכיבים מעידים על כך שזהו כיוון מבטיח בחיפוש אחר חומרה חדשה שיכולה להתאים או אפילו לעלות על כוחו של המוח האנושי.

תמונת אשראי: סטודיו אלה מארו/מורת אונן