Et nytt databehandlingsparadigme kalt neuromorphic computing imiterer de essensielle synaptiske funksjonene til nevroner for å simulere hjerneadferd. Nevronal plastisitet, koblet til læring og minne, er en av disse funksjonene. Denne plastisiteten tillater nevroner å lagre informasjon eller glemme den avhengig av lengden og frekvensen av elektriske impulser som aktiverer dem.
Memresistive materialer, ferroelektrikk, faseendringsminnematerialer, topologiske isolatorer og, i nyere tid, magneto-ioniske materialer skiller seg ut blant materialene som ligner nevronsynapser. I sistnevnte fører bruk av et elektrisk felt til at ionene forskyves i materialet, noe som endrer stoffets magnetiske egenskaper.
Selv om moduleringen av magnetisme i disse materialene når et elektrisk felt påføres er godt forstått, er det utfordrende å kontrollere utviklingen av magnetiske egenskaper når spenningen opphører (dvs. utviklingen etter stimulansen). Dette gjør det vanskelig å replikere noen hjerneinspirerte prosesser, for eksempel å holde læringen effektivt selv mens hjernen er i en dyp søvntilstand (dvs. uten ekstern stimulering).
I en ny studie har forskere fra Ltd Institutt for fysikk Jordi Sort og Enric Menéndez, i samarbeid med ALBA Synchrotron, Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology (ICN2), og ICMAB, foreslo en ny måte å kontrollere utviklingen av magnetisering både i stimulert og etter- stimulustilstander.
De har utviklet et magnetisk materiale som er i stand til å etterligne måten hjernen lagrer informasjon på. Takket være dette materialet er det mulig å imitere synapsene til nevroner og etterligne, for første gang, læring som skjer under dyp søvn.
Forskere utviklet materialet basert på et tynt lag med koboltmononitrid (CoN) hvor man ved å påføre et elektrisk felt kan kontrollere akkumuleringen av N-ioner i grensesnittet mellom laget og en flytende elektrolytt som laget er plassert i.
ICREA forskningsprofessor Jordi Sort og Serra Húnter Tenure-track professor Enric Menéndez sa: "Det nye materialet fungerer med bevegelsen av ioner kontrollert av elektrisk spenning, på en måte som er analog med vår hjerne, og med hastigheter som ligner de som produseres i nevroner, i størrelsesorden millisekunder. Vi har utviklet en kunstig synapse som i fremtiden kan være grunnlaget for et nytt databehandlingsparadigme, alternativ til det som brukes av dagens datamaskiner."
Ved å påføre spenningspulser har det vært mulig å emulere, på en kontrollert måte, prosesser som minne, Informasjonsbehandling, informasjonsinnhenting og, for første gang, kontrollert oppdatering av informasjon uten påført spenning.
Koboltmononitridlagtykkelsen, som styrer hvor raskt ionene beveger seg, og pulsfrekvensen ble endret for å oppnå denne kontrollen.
Arrangementet av materialet gjør at de magnetoioniske egenskapene kan kontrolleres ikke bare når spenningen påføres, men også for første gang når spenningen fjernes. Når den eksterne spenningsstimulusen forsvinner, kan magnetiseringen av systemet reduseres eller økes, avhengig av tykkelsen på materialet og protokollen for hvordan spenningen tidligere har blitt påført.
Et bredt spekter av nye nevromorfe databehandlingsfunksjoner er nå mulig på grunn av dette nye resultatet. Den gir en ny logisk funksjon som for eksempel gjør det mulig å simulere nevronal læring etter hjernestimulering mens vi sover dypt. Andre typer nevromorfe materialer på markedet kan ikke gjenskape disse egenskapene.
Jordi Sort og Enric Menendez sa, "Når tykkelsen på koboltmononitridlaget er under 50 nanometer, og med en spenning påført med en frekvens på over 100 sykluser per sekund, har vi klart å emulere en ekstra logisk funksjon: når spenningen er påført, kan enheten programmeres å lære eller å glemme, uten behov for ekstra energitilførsel, etterligne de synaptiske funksjonene som finner sted i hjernen under dyp søvn, når informasjonsbehandlingen kan fortsette uten å bruke noe eksternt signal.»
Tidsreferanse:
- 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. Frekvensavhengig stimulert og poststimulert spenningskontroll av magnetisme i overgangsmetallnitrider: mot hjerneinspirert magneto-ionikk. Materialer Horisonter, 2022. GJØR JEG: 10.1039/D2MH01087A
