Ученые Массачусетского технологического института (MIT) создали искусственные синапсы на основе программируемых резисторов, которые можно использовать для создания аналоговых нейронных сетей. Это позволяет разрабатывать приложения для искусственного интеллекта, которые более эффективны и тратят меньше энергии, чем традиционные процессоры на транзисторах. Результаты исследования опубликованы в журнале Science.
В мемристивных технологиях вместо классических транзисторов, которые проводят электрический ток при определенном напряжении, используются мемристоры — устройства, способные переключать свое сопротивление в ответ на приложенное электрическое поле. Иными словами, мемристоры — это резисторы, которые способны «запоминать» приложенное к ним напряжение и ток. Это полезно для имитации усиления и ослабления сигналов, проходящих через синапсы головного мозга, однако мемристоры, которые уже применяли в создании искусственного интеллекта, либо потребляют много энергии, либо страдают плохой воспроизводимостью сигнала.
В 2020 году ученые из MIT представили мемристивное устройство, названное ими твердотельным электрохимическим синапсом. Этот программируемый резистор решает проблемы предыдущих мемристоров тем, что резистивное переключение осуществляется за счет равномерной интеркаляции протонов в проводящий канал. Проводящий канал был изготовлен из оксида вольфрама (WO3), а в качестве резервуара водорода служил гидрид палладия (PdHx). Интеркаляция, то есть накачка протонов в канал, осуществлялась через твердотельный электролит — нанопористое протонпроводящее фосфосиликатное стекло (PSG).
Подобно полевым транзисторам электрохимический синапс имеет три электрода «исток-сток-затвор», где затвором выступает электрод из гидрида палладия, являющийся источником интеркалируемых протонов. Проводимость между электродами истока и стока соответствует силе синапса в нейронной сети и изменяется под действием импульсов тока, поступающих на затвор. Электрический ток усиливался при увеличении числа протонов в WO3. Для использования в приложениях искусственного интеллекта искусственный синапс должен быть изолирован протонными барьерами для предотвращения долговременной утечки протонов и влияния среды.
а) строение электрохимического синапса, b) изображение синапса, полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии с) строение решетки в проводящем канале, d) график изменения проводимости в зависимости от приложенного напряжения. Изображение: Nature.com
В новой работе та же группа исследователей усовершенствовала электрохимический синапс, изменив его конфигурацию, чтобы он смог выдерживать сильные электрические поля около 10 мегавольт на сантиметр и работать в 10 тысяч раз быстрее, чем биологические синапсы. Прототипы устройств размером 50 на 150 нанометров были изготовлены с помощью электронно-лучевой литографии. На затвор подавали одну тысячу импульсов протонирующего напряжения (10 вольт) и одну тысячу импульсов депротонирущего напряжения (-8,5 В), каждый длительностью пять наносекунд. В статье отмечается, что искусственные синапсы выдержали экстремальный режим работы, продемонстрировав превосходную энергоэффективность (2,5 фемтоджоуля на импульс) и почти идеальные характеристики с точки зрения изменения проводимости в канале.
Авторы подчеркивают, что их электрохимические синапсы превосходят устройства энергонезависимой памяти, которые в настоящий момент используются для моделирования нейронных сетей, но потребляют много энергии. Такие программируемые резисторы подходят для создания аналоговых нейронных сетей, лишенных недостатков традиционной фон-неймановской структуры современных компьютерных систем, которая требует передачи большого объема данных между памятью и процессором.