Naukowcy z MIT tworzą sztuczne synapsy 10,000 XNUMX razy szybciej niż te biologiczne

Naukowcy od lat próbują budować sztuczne synapsy w nadziei zbliżenia się do niezrównanej wydajności obliczeniowej ludzkiego mózgu. Dzięki nowemu podejściu udało się zaprojektować te, które są 1,000 razy mniejsze i 10,000 XNUMX razy szybsze niż ich biologiczne odpowiedniki.

Pomimo niekontrolowanego sukcesu głęboka nauka w ciągu ostatniej dekady to inspirowane mózgiem podejście do: AI stoi przed wyzwaniem polegającym na tym, że działa na sprzęcie, który w niewielkim stopniu przypomina prawdziwy mózg. To w dużej mierze powód, dla którego ludzki mózg ważący zaledwie trzy funty może wykonywać nowe zadania w ciągu kilku sekund, używając tej samej ilości energii co żarówka, podczas gdy trenowanie największych sieci neuronowych zajmuje tygodnie, megawatogodziny energii elektrycznej i szafy wyspecjalizowanych procesorów.

To powoduje rosnące zainteresowanie próbami przeprojektowania bazowego sprzętu, na którym działa sztuczna inteligencja. Chodzi o to, że budując chipy komputerowe, których komponenty działają bardziej jak naturalne neurony i synapsy, możemy zbliżyć się do ekstremalnej wydajności przestrzeni i energii ludzkiego mózgu. Mamy nadzieję, że te tak zwane „neuromorficzne” procesory mogłyby być znacznie lepiej przystosowane do obsługi sztucznej inteligencji niż dzisiejsze czipy komputerowe.

Teraz naukowcy z MIT wykazali, że niezwykła konstrukcja sztucznej synapsy, która naśladuje zależność mózgu od przemieszczania się jonów, może faktycznie znacznie przewyższać biologiczne. Kluczowym przełomem było znalezienie materiału, który toleruje ekstremalne pola elektryczne, co radykalnie poprawiło prędkość poruszania się jonów.

"Szybkość z pewnością była zaskakująca”, Murat Onen, który prowadził badania, powiedział w komunikacie prasowym. „Normalnie nie stosowalibyśmy tak ekstremalnych pól między urządzeniami, aby nie zamienić ich w popiół. Ale zamiast tego protony [które są odpowiednikami jonów wodoru] przemieszczały się z ogromną prędkością w stosie urządzeń, a konkretnie milion razy szybciej w porównaniu do tego, co mieliśmy wcześniej”.

Chociaż są a różnych podejść do inżynierii neuromorficznej, jednym z najbardziej obiecujących jest przetwarzanie analogowe. Ma to na celu zaprojektowanie komponentów, które mogą wykorzystać swoją wewnętrzną fizykę do przetwarzania informacji, co jest znacznie bardziej wydajne i bezpośrednie niż wykonywanie złożonych operacji logicznych, jak robią to konwencjonalne chipy.

Do tej pory wiele badań koncentrowało się na projektowaniu”memrystory„—elementy elektroniczne, które kontrolują przepływ prądu na podstawie tego, ile ładunku wcześniej przepłynęło”ed przez urządzenie. Naśladuje to sposób, w jaki połączenia między biologicznymi neuronami zwiększają lub zmniejszają siłę w zależności od częstotliwości, z jaką się komunikują, co oznacza, że ​​urządzenia te można zasadniczo wykorzystać do tworzenia sieci o właściwościach podobnych do biologicznych sieci neuronowych.

Być może nic dziwnego, że te urządzenia są często budowane przy użyciu technologii pamięci. Ale w nowym papier w nauka, Naukowcy z MIT twierdzą, że komponenty zoptymalizowane pod kątem długoterminowego przechowywania informacji w rzeczywistości nie nadają się do przeprowadzania regularnych zmian stanu wymaganych do ciągłego dostrajania siły połączenia w sztucznej sieci neuronowej. Dzieje się tak, ponieważ właściwości fizyczne, które zapewniają długi czas przechowywania, zazwyczaj nie są komplementarne do tych, które umożliwiają szybkie przełączanie.

Dlatego naukowcy zamiast tego zaprojektowali komponent, którego przewodnictwo jest regulowane przez wprowadzanie lub usuwanie protonów do kanału wykonanego ze szkła fosfokrzemianowego (PSG). W pewnym stopniu naśladuje to zachowanie synaps biologicznych, które wykorzystują jony do przesyłania sygnałów przez szczelinę między dwoma neuronami.

Jednak właśnie tam podobieństwaies koniec. Urządzenie posiada dwa terminale, które są zasadniczo wejściem i wyjściem synapsy. Trzeci zacisk służy do przykładania pola elektrycznego, które stymuluje protony do przemieszczania się ze zbiornika do kanału PSG lub odwrotnie, w zależności od kierunku pola elektrycznego. Więcej protonów w kanale zwiększa jego opór.

Badacze oprawa ołowiana witrażu Skończ z tym ogólny projekt z powrotem w 2020 r., ale ich wcześniejsze urządzenie używało materiałów, które nie były kompatybilne z procesami projektowania chipów. Ale co ważniejsze, przejście na PSG radykalnie zwiększyło szybkość przełączania ich urządzenia. Dzieje się tak dlatego, że nanometryczne pory w jego strukturze umożliwiają bardzo szybkie przemieszczanie się protonów przez materiał, a także dlatego, że może wytrzymać bardzo silne impulsy pola elektrycznego bez degradacji.

Silniejsze pola elektryczne dają protonom ogromny wzrost prędkości i mają kluczowe znaczenie dla zdolności urządzenia do przewyższania biologicznych synaps. W mózgu pola elektryczne muszą być stosunkowo słabe, ponieważ wszystko powyżej 1.23 wolta (V) powoduje powstawanie wodys większość komórek, aby podzielić się na gazowy wodór i tlen. To w dużej mierze dlatego procesy neurologiczne zachodzą w skali milisekund.

W przeciwieństwie do tego urządzenie zespołu MIT może działać przy napięciu do 10 woltów w impulsach tak krótkich, jak 5 nanosekund. Dzięki temu sztuczna synapsa działa 10,000 XNUMX razy szybciej niż jej biologiczny odpowiedniks. Ponadto urządzenia mają średnicę zaledwie nanometrów, co czyni je 1,000 razy mniejszymi niż synapsy biologiczne.

Eksperci powiedział New Scientist że konfiguracja urządzenia z trzema końcówkami, w przeciwieństwie do dwóch występujących w większości modeli neuronów, może utrudniać uruchamianie niektórych rodzajów sieci neuronowych. Fakt, że protony muszą być wprowadzane przy użyciu gazowego wodoru, również stanowi wyzwanie przy zwiększaniu skali technologii.

Droga od pojedynczej sztucznej synapsy do dużych sieci, które są w stanie przeprowadzić poważne przetwarzanie informacji, jest długa. Jednak wyjątkowa szybkość i niewielkie rozmiary komponentów sugerują, że jest to obiecujący kierunek w poszukiwaniu nowego sprzętu, który może dorównać, a nawet przewyższyć moc ludzkiego mózgu.

Kredytowych Image: Studio Ella Maru/Murat Onen