Inženýři umístili na jeden čip desítky tisíc umělých mozkových synapsí

Datum 14.08.2020

Inženýři z MIT navrhli „mozek na čipu“, menší než kousek konfetu, který je vyroben z desítek tisíc umělých mozkových synapsí známých jako memristory – komponenty na bázi křemíku, které napodobují synapse přenášející informace do lidského mozku.

K výrobě memristorů ze slitin stříbra a mědi, spolu s křemíkem, vycházeli vědci z principů metalurgie. Když čipu zadali vizuální úkoly, byl schopen pamatovat si uložené obrázky a mnohokrát je reprodukovat ve verzích, které byly ostřejší a čistší ve srovnání s obrazy vytvořenými z čistých prvků.

Jejich výsledky, zveřejněné v časopise Nature Nanotechnology, ukazují slibný nový design memristoru pro neuromorfní zařízení – elektroniku založenou na novém typu obvodu, který zpracovává informace způsobem napodobujícím neurální architekturu mozku. Tyto obvody inspirované mozkem by mohly být zabudovány do malých přenosných zařízení a prováděly by složité výpočetní úkoly, které zvládnou pouze dnešní superpočítače.

„Dosud existují sítě pro umělé synapse jako software. Snažíme se vybudovat skutečný hardware neuronových sítí pro přenosné systémy umělé inteligence,“ říká Jeehwan Kim, docent mechanického inženýrství na MIT. „Představte si, že připojíte neuromorfní zařízení ke kameře ve svém autě a necháte jej rozpoznat světla a předměty a okamžitě se rozhodnout, aniž by se museli připojovat k internetu. Doufáme, že k provádění těchto úkolů budeme moci použit energeticky efektivnější memristory v reálném čase.“

Putující ionty

Memristory neboli paměťové tranzistory jsou základním prvkem neuromorfního počítače. V neuromorfním zařízení by memristor sloužil jako tranzistor v obvodu, i když jeho fungování by se více podobalo mozkové synapsi – což je spojení mezi dvěma neurony. Synapse přijímá signály z jednoho neuronu ve formě iontů a vysílá odpovídající signál do dalšího neuronu.

Tranzistor v konvenčním obvodu přenáší informace přepínáním mezi jednou ze dvou hodnot, 0 a 1, a to pouze tehdy, když signál, který přijímá, ve formě elektrického proudu, má konkrétní sílu. Na rozdíl od memristoru, který pracuje podle gradientu, podobně jako synapse v mozku. Signál, který vytváří, se bude lišit v závislosti na síle signálu, který přijímá. To by umožnilo, by jeden memristor měl mnoho hodnot ne jen 0 a 1, jako u tranzistoru. Proto může provádět mnohem širší rozsah operací než binární tranzistory.

Stejně jako mozková synapse by si memristor také mohl „pamatovat“ hodnotu spojenou s danou proudovou silou a produkovat přesně stejný signál, až příště obdrží podobný proud. Odpověď na složitou rovnici nebo vizuální klasifikaci objektu bude tak spolehlivější.

Vědci nakonec předpokládají, že memristory budou vyžadovat mnohem prostoru než konvenční tranzistory, což umožní výkonná, přenosná výpočetní zařízení, která se nespoléhají jen na superpočítače, nebo dokonce na připojení k internetu.

Existující architektura memristorů je však ve své výkonnosti omezená. Jeden memristor je vyroben z pozitivní a negativní elektrody, oddělené „přepínacím médiem“ nebo mezerou mezi elektrodami. Když je na jednu elektrodu přivedeno napětí, protékají ionty z této elektrody skrz médium a vytvářejí “vodivý kanál” ke druhé elektrodě. Přijaté ionty tvoří elektrický signál, který memristor přenáší obvodem. Velikost iontového kanálu (a signál, který memristor nakonec produkuje) by měla být úměrná síle stimulačního napětí.

Kim říká, že stávající architektury memristorů fungují velmi dobře v případech, kdy napětí stimuluje velký vodivý kanál nebo silný tok iontů z jedné elektrody na druhou. Ale tyto konstrukce jsou méně spolehlivé, v případech, kdy memristory potřebují generovat jemnější signály přes tenčí vodivé kanály.

Čím tenčí je vodivý kanál a čím lehčí je tok iontů z jedné elektrody na druhou, tím těžší je, aby jednotlivé ionty zůstaly pohromadě. Místo toho mají tendenci bloudit ze skupiny a rozpouštět se uvnitř média. V důsledku toho je pro přijímací elektrodu obtížné spolehlivě zachytit stejný počet iontů, a tedy vyslat stejný signál, když je stimulován určitým nízkým rozsahem proudu.

Inspirace z metalurgie

Kim a jeho kolegové našli cestu z tohoto omezení tím, že si vypůjčili techniku ​​z metalurgie, vědu o tavení kovů na slitiny a studovali jejich kombinované vlastnosti. Inženýři obvykle používají stříbro jako materiál pro pozitivní elektrodu memristoru. Kimův tým našel prvek, který by se mohl slučovat se stříbrem, aby účinně držel stříbrné ionty pohromadě, a zároveň jim umožnil rychle protékat k další elektrodě. Tým nakonec skončil u mědi jako ideálního legujícího prvku, kvůli jeho schopnosti vázat jak stříbro, tak křemík.

„Působí jako druh mostu a stabilizuje rozhraní stříbro-křemík,“ říká Kim.

Aby vyrobili memristory pomocí jejich nové slitiny, skupina nejprve vyrobila zápornou elektrodu z křemíku, poté vyrobila pozitivní elektrodu nanesením malého množství mědi, následovanou vrstvou stříbra. Obě elektrody dali sandwichovým způsoběm kolem amorfního křemíkového média. Tímto způsobem vytvořili milimetrový čtvercový křemíkový čip s desítkami tisíc memristorů.

Jako první test čipu vytvořili šedý obrázek štítu Kapitána Ameriky. Přirovnávali každý pixel v obrazu k odpovídajícímu memristoru v čipu. Poté modulovali vodivost každého memristoru, který měl relativní sílu vůči barvě v odpovídajícím pixelu.

Čip vytvořil stejný ostrý obraz štítu a byl schopen „si pamatovat“ obraz a mnohokrát ho reprodukovat, ve srovnání s čipy vyrobenými z jiných materiálů.

„Používáme umělé synapse k provádění skutečných deduktivních testů,“ říká Kim. „Rádi bychom tuto technologii dále rozvíjeli, abychom měli rozsáhlejší pole pro provádění úloh rozpoznávání obrazu. A jednoho dne bychom mohli být schopni vytvářet umělé mozky k provádění těchto druhů úkolů, aniž bychom se připojovali k superpočítačům, internetu nebo ke cloudu.“

Tento výzkum byl částečně financován z prostředků Výboru pro podporu výzkumu MIT, MIT-IBM Watson AI Lab, Samsung Global Research Laboratory a National Science Foundation.

Foto: CanStockPhoto

Volty 700 x 200 px

Komentáře