นักวิจัยของ MIT สร้างไซแนปส์เทียมได้เร็วกว่าแบบชีวภาพ 10,000 เท่า

นักวิจัยได้พยายามสร้างไซแนปส์เทียมมาหลายปีโดยหวังว่าจะเข้าใกล้ประสิทธิภาพการคำนวณที่ไม่มีใครเทียบได้ของสมองมนุษย์ วิธีการใหม่ได้จัดการในการออกแบบที่เล็กกว่า 1,000 เท่าและเร็วกว่าวิธีทางชีววิทยา 10,000 เท่า

แม้จะประสบความสำเร็จอย่างหนีไม่พ้นของ การเรียนรู้ลึก ๆ ในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา แนวทางที่ได้รับแรงบันดาลใจจากสมองเพื่อ AI เผชิญกับความท้าทายที่มันทำงานบนฮาร์ดแวร์ที่มีความคล้ายคลึงกับสมองจริงเพียงเล็กน้อย นี่เป็นเหตุผลหลักว่าทำไมสมองของมนุษย์ที่มีน้ำหนักเพียงสามปอนด์จึงสามารถทำงานใหม่ได้ในเวลาไม่กี่วินาทีโดยใช้พลังงานเท่าหลอดไฟ ในขณะที่การฝึกโครงข่ายประสาทเทียมที่ใหญ่ที่สุดใช้เวลาหลายสัปดาห์ เมกะวัตต์ชั่วโมงของไฟฟ้า และชั้นวาง ของโปรเซสเซอร์เฉพาะ

นั่นกระตุ้นให้เกิดความสนใจเพิ่มขึ้นในความพยายามออกแบบฮาร์ดแวร์ AI ที่ทำงานอยู่เบื้องหลังใหม่ แนวคิดก็คือการสร้างชิปคอมพิวเตอร์ที่มีส่วนประกอบเหมือนเซลล์ประสาทและไซแนปส์ตามธรรมชาติ เราอาจเข้าถึงพื้นที่สุดขั้วและประสิทธิภาพการใช้พลังงานของสมองมนุษย์ได้ ความหวังก็คือโปรเซสเซอร์ที่เรียกว่า "neuromorphic" เหล่านี้น่าจะเหมาะกับการใช้งาน AI มากกว่าในปัจจุบัน ชิปคอมพิวเตอร์.

ตอนนี้นักวิจัยจาก MIT ได้แสดงให้เห็นว่าการออกแบบไซแนปส์เทียมที่ผิดปกติซึ่งเลียนแบบการพึ่งพาของสมองในการส่งไอออนไปรอบๆ อาจมีประสิทธิภาพดีกว่าการออกแบบทางชีววิทยาอย่างมาก ความก้าวหน้าครั้งสำคัญคือการหาวัสดุที่ทนต่อสนามไฟฟ้าที่รุนแรง ซึ่งทำให้ความเร็วของไอออนสามารถเคลื่อนที่ได้เพิ่มขึ้นอย่างมาก

"ความเร็วนั้นน่าประหลาดใจอย่างแน่นอน” มูรัต โอเนน ผู้นำการวิจัย กล่าวในการแถลงข่าว. “โดยปกติ เราจะไม่ใช้ฟิลด์สุดโต่งเช่นนี้ในอุปกรณ์ต่างๆ เพื่อไม่ให้กลายเป็นเถ้าถ่าน แต่โปรตอน [ซึ่งเทียบเท่ากับไฮโดรเจนไอออน] กลับจบลงด้วยความเร็วมหาศาลทั่วทั้งกองอุปกรณ์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเร็วกว่าล้านเท่าเมื่อเทียบกับที่เราเคยมีมา”

ในขณะที่มี a แนวทางที่หลากหลายสำหรับวิศวกรรม neuromorphic หนึ่งในแนวทางที่มีแนวโน้มมากที่สุดคือการคำนวณแบบอะนาล็อก สิ่งนี้พยายามออกแบบส่วนประกอบที่สามารถใช้ประโยชน์จากฟิสิกส์ภายในเพื่อประมวลผลข้อมูล ซึ่งมีประสิทธิภาพและตรงไปตรงมามากกว่าการดำเนินการทางตรรกะที่ซับซ้อนเช่นชิปทั่วไป

จนถึงปัจจุบันมีงานวิจัยจำนวนมากที่มุ่งเน้นการออกแบบ “เมมริสเตอร์”—ส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ที่ควบคุมการไหลของกระแสตามปริมาณประจุที่ไหลก่อนหน้านี้ed ผ่านอุปกรณ์ สิ่งนี้เลียนแบบวิธีที่การเชื่อมต่อระหว่างเซลล์ประสาททางชีวภาพเพิ่มหรือลดความแข็งแรงขึ้นอยู่กับความถี่ในการสื่อสาร ซึ่งหมายความว่าโดยหลักการแล้วอุปกรณ์เหล่านี้สามารถใช้เพื่อสร้างเครือข่ายที่มีคุณสมบัติคล้ายกับโครงข่ายประสาทชีวภาพ

อาจไม่น่าแปลกใจเลยที่อุปกรณ์เหล่านี้มักสร้างขึ้นโดยใช้เทคโนโลยีหน่วยความจำ แต่ในรูปแบบใหม่ กระดาษเข้า วิทยาศาสตร์, นักวิจัยของ MIT โต้แย้งว่าส่วนประกอบที่ได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับการจัดเก็บข้อมูลระยะยาวนั้นจริง ๆ แล้วไม่เหมาะที่จะทำการเปลี่ยนสถานะตามปกติที่จำเป็นในการปรับจุดแข็งของการเชื่อมต่ออย่างต่อเนื่องในโครงข่ายประสาทเทียม นั่นเป็นเพราะคุณสมบัติทางกายภาพที่รับประกันเวลาการคงอยู่นานมักจะไม่เหมาะกับคุณสมบัติที่อนุญาตให้เปลี่ยนความเร็วสูง

นี่คือเหตุผลที่นักวิจัยได้ออกแบบส่วนประกอบที่มีการควบคุมค่าการนำไฟฟ้าโดยการแทรกหรือกำจัดโปรตอนลงในช่องที่ทำจากแก้วฟอสโฟซิลิเกต (PSG) ในระดับหนึ่ง สิ่งนี้เลียนแบบพฤติกรรมของไซแนปส์ทางชีววิทยา ซึ่งใช้ไอออนเพื่อส่งสัญญาณข้ามช่องว่างระหว่างเซลล์ประสาทสองเซลล์

อย่างไรก็ตามนั่นคือที่ที่คล้ายคลึงกันโอบอุ้ม จบ. อุปกรณ์นี้มีขั้วสองขั้วที่เป็นอินพุตและเอาต์พุตของไซแนปส์เป็นหลัก ขั้วที่สามใช้สำหรับสนามไฟฟ้า ซึ่งกระตุ้นโปรตอนให้เคลื่อนที่จากอ่างเก็บน้ำไปยังช่อง PSG หรือในทางกลับกัน ขึ้นอยู่กับทิศทางของสนามไฟฟ้า โปรตอนในช่องเพิ่มเติมจะเพิ่มความต้านทาน

นักวิจัย มา ขึ้นกับสิ่งนี้ การออกแบบทั่วไปในปี 2020แต่อุปกรณ์รุ่นก่อนใช้วัสดุที่ไม่รองรับกระบวนการออกแบบชิป แต่ที่สำคัญกว่านั้น การเปลี่ยนไปใช้ PSG ได้เพิ่มความเร็วในการเปลี่ยนอุปกรณ์อย่างมาก นั่นเป็นเพราะรูพรุนขนาดนาโนในโครงสร้างของมันทำให้โปรตอนสามารถเคลื่อนที่ผ่านวัสดุได้อย่างรวดเร็ว และยังเพราะมันสามารถทนต่อพัลส์สนามไฟฟ้าที่แรงมากโดยไม่ทำให้เสื่อมคุณภาพ

สนามไฟฟ้าที่ทรงพลังยิ่งขึ้นทำให้โปรตอนมีความเร็วเพิ่มขึ้นอย่างมาก และเป็นกุญแจสำคัญที่ทำให้อุปกรณ์มีความสามารถเหนือกว่าไซแนปส์ทางชีวภาพ ในสมองสนามไฟฟ้าจะต้องค่อนข้างอ่อนเพราะอะไรที่เกิน 1.23 โวลต์ (V) ทำให้เกิดน้ำที่ทำให้s ทำให้เซลล์จำนวนมากแตกตัวเป็นไฮโดรเจนและก๊าซออกซิเจน นี่คือสาเหตุหลักว่าทำไมกระบวนการทางระบบประสาทจึงเกิดขึ้นในระดับมิลลิวินาที

ในทางตรงกันข้าม อุปกรณ์ของทีม MIT สามารถทำงานได้ถึง 10 โวลต์ในพัลส์ที่สั้นเพียง 5 นาโนวินาที สิ่งนี้ทำให้ไซแนปส์เทียมทำงานเร็วกว่าคู่ขนานทางชีววิทยาถึง 10,000 เท่าs. ยิ่งไปกว่านั้น อุปกรณ์เหล่านี้มีขนาดกว้างเพียงนาโนเมตร ทำให้มีขนาดเล็กกว่าไซแนปส์ทางชีวภาพถึง 1,000 เท่า

ผู้เชี่ยวชาญ บอก นักวิทยาศาสตร์นิว ว่าการตั้งค่าเทอร์มินัลสามเครื่องของอุปกรณ์ซึ่งต่างจากทั้งสองที่พบในโมเดลเซลล์ประสาทส่วนใหญ่อาจทำให้ใช้งานโครงข่ายประสาทเทียมบางประเภทได้ยาก ความจริงที่ว่าโปรตอนต้องถูกนำมาใช้โดยใช้ก๊าซไฮโดรเจนยังทำให้เกิดความท้าทายเมื่อขยายเทคโนโลยีขึ้น

มีหนทางอีกยาวไกลที่จะเปลี่ยนจากไซแนปส์เทียมส่วนบุคคลไปเป็นเครือข่ายขนาดใหญ่ที่สามารถดำเนินการประมวลผลข้อมูลอย่างจริงจังได้ แต่ความเร็วที่ยอดเยี่ยมและส่วนประกอบที่มีขนาดเล็กทำให้เห็นว่านี่เป็นทิศทางที่มีแนวโน้มในการค้นหาฮาร์ดแวร์ใหม่ที่สามารถจับคู่หรือแม้กระทั่งเกินกำลังของสมองมนุษย์

เครดิตภาพ: เอลล่า มารุ สตูดิโอ/มูรัต โอเน็น