Новое изобретение группы американских учёных обещает приблизить создание фактической электронной копии мозга человека со всеми его основными вычислительными и коммуникационными элементами — нейронами и синапсами. И всё это не в габаритах сотен серверных стоек, а в относительно компактном виде, что для прогресса в вычислительной технике обещает много интересного и прорывного.
Новая структура электронного нейрона (R. Stanley Williams)
К прорыву подошла группа исследователей под управлением Стэнли Уильямса (R. Stanley Williams) из Texas A&M, который вместе с сотрудником Hewlett Packard Laboratories Сухасом Кумаром (Suhas Kumar) и студентом Стэнфордского университета Зивеном Воном (Ziwen Wang) представили простейшее электронное устройство, действующее как нейрон живого мозга человека. До этого искусственные нейроны представлялись не раз и не два, но каждый раз этот ключевой элемент мозга выполнялся в виде довольно большой и сложной схемы из нескольких составляющих, а это означает большие размеры и немаленькое потребление энергии.
Группа Стэнли Уильямса разработала и создала искусственный нейрон на базе так называемых моттовских диэлектриков (переходов). Моттовские диэлектрики в обычных условиях ведут себя как изоляторы и не пропускают электрический ток, но под действием температуры, напряжения, магнитного поля или другого воздействия временно становятся проводниками.
Предложенный учёными простейший элемент содержит моттовский переход в виде нанометрового слоя оксида ниобия (NbO2). Помимо него элемент включает ёмкость и сопротивление, как часть электронного «нейрона». Добавим, слой оксида ниобия по сути ведёт себя как мемристор — управляемое током и напряжением сопротивление с эффектом памяти. Это делает искусственный нейрон отчасти энергонезависимым устройством. Глупо было бы тратить энергию в те моменты, когда устройство прекращает «думать».
Изображение элемента под электронным микроскопом (R. Stanley Williams)
Под действием напряжения с постоянным током происходит локальный нагрев слоя оксида ниобия, что делает переход проводящим. Это разряжает накопленный в ёмкости элемента заряд, после чего переход остывает и снова становится изолятором. Ёмкость в элементе снова заряжается и так до бесконечности, пока подаётся управляющее напряжение. Тонкость здесь в том, что этот простейший элемент может работать в разных режимах, подобно живому нейрону: передавать импульс (спайк, сигнал возбуждения) по цепочке нейронов, выдавать серию импульсов, поддерживать автогенерацию импульсов и выполнять другую работу, которую обычно делает нейрон в живом мозге.
Некоторой проблемой для масштабирования предложенной конструкции электронного нейрона может оказаться довольно высокая температура превращения моттовского перехода из оксида ниобия в проводник. Он становится таковым при нагреве до 800 °C. В составе многих тысяч и миллионов элементов это может стать проблемой, поэтому учёные будут искать другие соединения для своего элемента с существенно меньшей температурой воздействия.
Источник:
