Создан искусственный синапс для нейроморфных компьютеров

Исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) создали сверхпроводящий коммутатор, который «учится» как биологическая система и может соединять клетки и хранить воспоминания в будущих компьютерах, работающих как мозг человека.

Переключатель NIST, описанный в Science Advances, называется синапсом, как и его биологический аналог, и он представляет недостающую часть для так называемых нейроморфных компьютеров. Представляемые как новый тип искусственного интеллекта, такие компьютеры могут повысить восприятие и принятие решений для таких приложений, как автопилот автомобилей и диагностика рака.

Синапс — это соединение или переключение между двумя клетками мозга. Искусственный синапс NIST — это металлический цилиндр диаметром 10 микрон — походит на реальный, потому что он может обрабатывать входящие электрические пики для настройки выходных сигналов.

Эта обработка основана на гибкой внутренней конструкции. Чем больше связей срабатывает между ячейками или процессорами, тем сильнее соединение. Таким образом, реальные и искусственные синапсы могут поддерживать старые схемы и создавать новые. Синапс NIST может работать намного быстрее, чем человеческий мозг — 1 миллиард раз в секунду, по сравнению с 50-секундной частотой клеток головного мозга — с использованием энергии примерно одной десяти-тысячной доли от синапса человека. С технической точки зрения, энергия меньше 1 аттоджоуля (10⁻¹⁸ Дж), ниже энергии фона при комнатной температуре и равна химической энергии, связывающей два атома в молекуле.

«Синапс NIST имеет более низкие энергетические потребности, чем синапс человека, и мы не знаем ни одного другого искусственного синапса, который потребляет меньше энергии», — сказал физик NIST Майк Шнайдер.

Новый синапс будет использоваться в нейроморфных компьютерах из сверхпроводящих компонентов, которые могут передавать электроэнергию без сопротивления и, следовательно, будут более эффективными, чем другие конструкции, основанные на полупроводниках или программном обеспечении. Данные будут передаваться, обрабатываться и храниться в единицах магнитного потока. Были разработаны сверхпроводящие устройства, имитирующие клетки мозга и линии передачи, но до сих пор отсутствовали эффективные синапсы — важнейшая часть таких компьютеров.

Мозг особенно эффективен для задач, таких как распознавание контекста, поскольку он обрабатывает данные как последовательно, так и одновременно и сохраняет память в синапсах по всей системе. Обычный компьютер обрабатывает данные только в последовательности и сохраняет память в отдельном блоке.

Синапс NIST — это джозефсоновское соединение, долгое время используемое в стандартах напряжения NIST. Эти соединения представляют собой сэндвич из сверхпроводящих материалов с изолятором в качестве наполнителя. Когда электрический ток через соединение превышает уровень, называемый критическим током, генерируются пики напряжения. Синапс использует стандартные ниобиевые электроды, но имеет уникальное наполнение из наноразмерных кластеров марганца в кремниевой матрице.

Нанокластеры — около 20 000 на квадратный микрометр — действуют как крошечные магниты на стержне со «спинами», которые могут быть ориентированы либо случайным образом, либо скоординированным.

«Это настроенные джозефсоновские соединения», — говорит Майк Шнайдер. «Мы можем контролировать количество нанокластеров, указывающих в одном и том же направлении, что влияет на сверхпроводящие свойства перехода».

Синапс находится в сверхпроводящем состоянии, за исключением случаев, когда он активируется входящим током и начинает генерировать пики напряжения. Исследователи применяют импульсы тока в магнитном поле для усиления магнитного упорядочения, т. е. количества нанокластеров, указывающих в одном направлении. Этот магнитный эффект постепенно снижает уровень критического тока, что упрощает создание нормального проводника и создает всплески напряжения.

Критический ток является самым низким, когда все нанокластеры выровнены. Процесс также обратим: импульсы применяются без магнитного поля для уменьшения магнитного упорядочения и повышения критического тока. Эта конструкция, в которой различные входы изменяют выравнивание спина и результирующие выходные сигналы, аналогична тому, как работает человеческий мозг.

Синапсовое поведение также можно настроить, изменив способ изготовления устройства и его рабочую температуру. Уменьшая нанокластеры, исследователи могут уменьшить энергию импульса, необходимую для повышения или уменьшения магнитного порядка устройства.

Кроме того, синапсы могут быть сложены в трехмерную конструкцию, чтобы иметь создавать большие системы, которые можно было бы использовать для вычисления. Исследователи NIST создали модель схемы для моделирования того, как будет работать такая система.

Как говорят исследователи, сочетание синапса NIST небольшого размера, сверхбыстрых пиковых сигналов, низких энергетических потребностей и возможности построения трехмерной конструкции может обеспечить средства для гораздо более сложной нейроморфной системы, чем было продемонстрировано с помощью других технологий.

Больше информации: M.L. Schneider, C.A. Donnelly, S.E. Russek, B. Baek, M.R. Pufall, P.F. Hopkins, P.D. Dresselhaus, S. P. Benz and W.H. Rippard. Ultra-low power artificial synapses using nano-textured magnetic Josephson junctions. Science Advances. Published on January 26, 2018 advances.sciencemag.org/content/4/1/e1701329