Искусственные нейроны имитируют колебания, подобные колебаниям мозга
Исследователи International Iberian Nanotechnology Laboratory (INL) разработали нейроморфный фотонный полупроводниковый нейрон, способный обрабатывать оптическую информацию с помощью самоподдерживающихся колебаний. Этот подход основан на использовании света для управления отрицательным дифференциальным сопротивлением (NDR) в микростолбчатом квантовом резонансном туннельном диоде (RTD). Исследование демонстрирует, что такие системы могут стать основой для высокоэффективных нейроморфных вычислительных систем, управляемых светом.
Нейроморфные вычисления направлены на воспроизведение способностей биологических нейронных сетей обрабатывать информацию. Биологические нейроны используют ритмическую импульсную активность для сенсорного кодирования, распознавания образов и синхронизации сетей. Традиционные нейроморфные системы имитируют эти процессы с помощью электрических, механических или тепловых стимулов, однако оптические системы предлагают преимущества в скорости, энергоэффективности и миниатюризации. Хотя ранее были созданы фотонные синапсы и искусственные афферентные нервы, они требуют дополнительных схем, что увеличивает энергопотребление и сложность.
Уникальность данного исследования заключается в объединении сенсорного восприятия и колебательного поведения в одном полупроводниковом устройстве на основе материалов III-V, использующем светоиндуцированное NDR. Это устраняет необходимость во внешних компонентах.
В работе, опубликованной в Scientific Reports, исследователи разработали и протестировали микростолбчатые RTD-фотодетекторы, которые функционируют как искусственные колебательные нейроны, активируемые ближним инфракрасным светом.
Устройства были изготовлены на основе арсенида галлия n-типа с диаметром от 6 до 10 микрометров. Они содержат двухбарьерные слои квантовых ям, которые обеспечивают квантовое резонансное туннелирование, создавая характерный электрический отклик с областью NDR при воздействии ближнего инфракрасного света. Эксперименты включали измерение вольт-амперных характеристик в темноте и при освещении, а также изучение реакции на импульсно-модулированный свет.
В темноте устройства демонстрировали только положительное дифференциальное сопротивление, но при освещении ближним инфракрасным светом возникала область NDR, что приводило к самоподдерживающимся колебаниям напряжения. Эти колебания, напоминающие активность биологических нейронов, происходили на частотах около 350 кГц и могли настраиваться с помощью напряжения смещения и интенсивности света. Устройства показали стабильную работу в течение более 1000 циклов, подтверждая их надежность.
Импульсно-модулированное освещение позволило управлять возбуждением и торможением колебаний, демонстрируя возможность кодирования сенсорного ввода в пространственно-временные нейронные сигналы. Результаты исследования подтверждают, что нейроморфные фотонные нейроны на основе RTD могут объединять сенсорную обработку и колебательные вычисления в одном миниатюрном устройстве.
Этот подход открывает перспективы для создания высокоскоростных и энергоэффективных систем искусственного зрения и нейроморфных периферийных вычислений. Совместимость устройств с технологиями LiDAR и 3D-сенсорами делает их перспективными кандидатами для следующего поколения био-вдохновленных вычислительных систем.