Созданы синапсы для искусственного мозга
Изображение: Ella Maru Studio, Murat Onen
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.