Этого будущего, возможно, и не сейчас, но оно на один шаг ближе, благодаря группе ученых и инженеров под руководством Техасского университета A&M и их недавнему открытию имитатора на основе материалов для нейронных сигналов, ответственных за передачу информации в человеческий мозг.
Многопрофильная команда, возглавляемая химиком Texas A&M Сарбаджитом Банерджи в сотрудничестве с инженером-электриком и компьютерщиком Texas A&M Р. Стэнли Уильямс и другие его коллеги в Северной Америке и за рубежом обнаружили нейроноподобный механизм электрического переключения в твердотельном материале ?’-CuxV2O5 – в частности, как он обратимо трансформируется между проводящим и изолирующим поведением по команде.
Команда смогла прояснить основной механизм этого поведения, по-новому взглянув на ?-CuxV2O5, замечательный хамелеоноподобный материал, который изменяется в зависимости от температуры или приложенного электрического стимула.
В процессе они сосредоточили внимание на том, как ионы меди перемещаются внутри материала и как этот тонкий танец, в свою очередь, разбрасывает электроны, чтобы преобразовать его. Их исследование показало, что движение ионов меди является стержнем изменения электропроводности, которое можно использовать для создания электрических всплесков точно так же, как нейроны функционируют в церебральной нервной системе – важный шаг на пути к разработке схем, которые функционируют как человеческие. головной мозг.
Их итоговая статья, в которой первыми авторами выступили аспиранты-химики Texas A&M Абхишек Париджа (ныне в корпорации Intel), Джастин Эндрюс и Джозеф Хэнди, опубликована в феврале. 27 в журнале Cell Press Matter.
В своем стремлении разработать новые режимы энергоэффективных вычислений широкая группа сотрудников использует материалы с настраиваемой электронной нестабильностью для достижения так называемых нейроморфных вычислений или вычислений, предназначенных для воспроизведения уникальных возможностей и непревзойденной эффективности мозга.
«Природа дала нам материалы с соответствующими типами поведения, чтобы имитировать обработку информации, которая происходит в мозгу, но те, которые охарактеризованы на сегодняшний день, имеют различные ограничения», – сказал Уильямс. «Важность этой работы состоит в том, чтобы показать, что химики могут рационально проектировать и создавать электрически активные материалы со значительно улучшенными нейроморфными свойствами.
По мере того, как мы понимаем больше, наши материалы будут значительно улучшаться, тем самым открывая новый путь к непрерывному технологическому развитию наших вычислительных возможностей."
Хотя смартфоны и ноутбуки, казалось бы, становятся все изящнее и быстрее с каждой итерацией, Парижа отмечает, что для удовлетворения постоянных требований к скорости и энергоэффективности, которые ограничивают возможности кремниевых компьютерных чипов, требуются новые материалы и вычислительные парадигмы, свободные от традиционных ограничений. их основные ограничения с точки зрения энергоэффективности.
Нейроморфные вычисления – один из таких подходов, а манипуляции с поведением переключения в новых материалах – один из способов его достижения.
«Центральная предпосылка – и, следовательно, главное обещание – нейроморфных вычислений заключается в том, что мы до сих пор не нашли способ выполнять вычисления таким же эффективным способом, как нейроны и синапсы в человеческом мозге», сказал Эндрюс, научный сотрудник НАСА по космическим технологиям. "Большинство материалов изолирующие (непроводящие), металлические (проводящие) или где-то посередине. Однако некоторые материалы могут переключаться между двумя состояниями: изолирующий (выключен) и токопроводящий (включен) почти по команде."
По словам Хэнди, используя обширную комбинацию вычислительных и экспериментальных методов, команда смогла продемонстрировать не только то, что этот материал претерпевает переход, вызванный изменениями температуры, напряжения и напряженности электрического поля, которые можно использовать для создания нейроноподобных схем, но и всесторонне объясните, как происходит этот переход.
В отличие от других материалов, которые имеют переход металл-изолятор (MIT), этот материал основан на движении ионов меди внутри жесткой решетки ванадия и кислорода.
«По сути, мы показываем, что очень небольшое движение ионов меди внутри структуры вызывает значительное изменение проводимости всего материала», – добавил Хэнди. «Из-за этого движения ионов меди материал превращается из изоляционного в проводящий в ответ на внешние изменения температуры, приложенного напряжения или приложенного тока. Другими словами, применение небольшого электрического импульса позволяет нам преобразовывать материал и сохранять информацию внутри него, поскольку он работает в цепи, подобно тому, как нейроны функционируют в головном мозге."
Эндрюс сравнивает взаимосвязь между движением ионов меди и электронами в структуре ванадия с танцем.
«Когда ионы меди движутся, электроны в решетке ванадия движутся согласованно, отражая движение ионов меди», – сказал Эндрюс. «Таким образом, невероятно малые движения ионов меди вызывают большие электронные изменения в решетке ванадия без каких-либо наблюдаемых изменений в связи ванадий-ванадий. Это похоже на то, что атомы ванадия «видят», что делает медь, и реагируют."
На передачу, хранение и обработку данных в настоящее время приходится около 10 процентов мирового энергопотребления, но Банерджи говорит, что экстраполяции показывают, что потребность в вычислениях будет во много раз выше, чем прогнозируемое глобальное энергоснабжение к 2040 году.
Следовательно, экспоненциальное увеличение вычислительных возможностей требуется для трансформирующих видений, включая Интернет вещей, автономный транспорт, устойчивую к стихийным бедствиям инфраструктуру, персонализированную медицину и другие серьезные социальные проблемы, которые в противном случае будут задушены неспособностью современных компьютерных технологий справиться с масштабами и сложность данных, генерируемых человеком и машинами. Он говорит, что один из способов вырваться из ограничений традиционных вычислительных технологий – это воспользоваться подсказкой природы, в частности, нейронной схемы человеческого мозга, которая значительно превосходит традиционные компьютерные архитектуры с точки зрения энергоэффективности, а также предлагает новые подходы для машинное обучение и продвинутые нейронные сети.
«Чтобы имитировать основные элементы нейронной функции в искусственных схемах, нам нужны твердотельные материалы, демонстрирующие электронную нестабильность, которые, как и нейроны, могут хранить информацию в своем внутреннем состоянии и во времени электронных событий», – сказал Банерджи. «Наша новая работа исследует фундаментальные механизмы и электронное поведение материала, который демонстрирует такую нестабильность. Тщательно охарактеризовав этот материал, мы также предоставили информацию, которая проинструктирует будущий дизайн нейроморфных материалов, которые могут предложить способ изменить природу машинных вычислений от простой арифметики до интеллекта, подобного мозгу, при одновременном значительном увеличении пропускной способности и энергоэффективности. процессоров."
Поскольку различные компоненты, которые обрабатывают логические операции, хранят память и передают данные, в традиционной компьютерной архитектуре отделены друг от друга, Банерджи говорит, что они страдают от присущей им неэффективности как в отношении времени, необходимого для обработки информации, так и в отношении того, насколько физически близко друг к другу устройства. элементы могут быть до того, как тепловые потери и электроны "случайно" туннелируют между компонентами, станут серьезными проблемами. Напротив, в человеческом мозгу логика, хранение памяти и передача данных одновременно интегрированы в синхронизированное срабатывание нейронов, которые плотно взаимосвязаны в трехмерных разветвленных сетях. В результате нейроны мозга обрабатывают информацию при более низком напряжении в 10 раз и почти в 5000 раз меньшей энергии синаптических операций по сравнению с кремниевыми вычислительными архитектурами.
По его словам, чтобы приблизиться к достижению такой энергетической и вычислительной эффективности, необходимы новые материалы, которые могут подвергаться быстрому внутреннему электронному переключению в схемах таким образом, чтобы имитировать срабатывание нейронов в синхронизированных последовательностях.
Handy отмечает, что команде все еще необходимо оптимизировать многие параметры, такие как температура перехода и скорость переключения, а также величину изменения электрического сопротивления. Определяя основные принципы MIT в ?-CuxV2O5 в качестве прототипа материала в обширном круге кандидатов, однако команда определила определенные мотивы дизайна и настраиваемые химические параметры, которые в конечном итоге окажутся полезными при разработке будущих нейроморфных компьютерных материалов, что является важным начинанием, начатым Техасом. Программа A&M X-Grant.
«Это открытие очень захватывающее, потому что оно обеспечивает благодатную почву для разработки новых принципов проектирования для настройки свойств материалов, а также предлагает исследователям новые захватывающие подходы к размышлениям об энергоэффективных электронных нестабильностях», – сказал Парижа. «Устройства, включающие нейроморфные вычисления, обещают повышенную энергоэффективность, которую еще предстоит обеспечить вычисления на основе кремния, а также повышение производительности при решении таких вычислительных задач, как распознавание образов – задач, для решения которых человеческий мозг особенно хорошо приспособлен. Материалы и механизмы, которые мы описываем в этой работе, приближают нас на один шаг к реализации нейроморфных вычислений и, в свою очередь, к реализации всех социальных преимуществ и общих перспектив, которые с ними связаны."
В многолетнем проекте участвуют члены команды из четырех дисциплин (химия, физика, материаловедение и инженерия, электротехника и компьютерная инженерия), а также исследователи из Техасской лаборатории A&M, Национальной лаборатории Лоуренса Беркли, Университета Буффало, Университета Бингемтона и Университета Техаса A&M в г. Катар, также полагаясь на работы, выполненные в Лаборатории Беркли Молекулярный литейный и усовершенствованный источник света (ALS), усовершенствованный источник фотонов (APS) в Аргоннской национальной лаборатории и канадский источник света. Исследование финансировалось главным образом Национальным научным фондом (грант №. DMR 1809866) при дополнительной поддержке Texas A&M X-Grant и Катарского национального исследовательского фонда.