Umělá synapse pro mozek stroje

Nové spínače se mění, jak se učíte, jako synapse v mozku

Umělé synapsy dělají hardware počítačů stejně plastickým jako naše mozky. © Andrea Danti, polygraf / thinkstock
číst nahlas

Výukové přepínače: Američtí vědci vyvinuli komponentu, která by počítačům umožnila vytvořit mozek. Je to umělá synapse - spínač, který funguje jako nervová spojení v mozku. Protože i umělá synapse mění svou reakci v závislosti na svých zkušenostech - „učí se“ jako biologický systém. To je umožněno magnetickými nanokluzači, které mohou pružně upravit jejich orientaci.

Díky neuronovým sítím vyvinutým na modelu mozku jsou počítače nyní schopny se učit: Speciální algoritmy v těchto systémech napodobují funkci synapsí v našich mozcích. Síla odkazů se mění zkušenostmi. Učení tak mění strukturu sítě - ale zatím pouze v softwaru.

Struktura mozku v hardwaru je však mnohem obtížnější. Vědci dosáhli teprve nedávno prvního úspěchu fotonickou synapsí: mění svou krystalovou strukturu průchodem laserových pulzů a přizpůsobuje tak svou vodivost dalším signálům.

Mobilní nanoclusters

Nyní Michael Schneider z Národního institutu pro standardy a technologie (NIST) a jeho kolegové navrhli umělou synapsu založenou na magnetických částicích. Složka je pouhých asi 10 mikronů malá a připomíná třívrstvý sendvič: Mezi dvěma vrstvami supravodivého materiálu je bariérová vrstva z křemíku, do níž jsou zabudovány nanoklastry manganových a niobových elektrod.

Uspořádání magnetických nanoklastrů určuje, jak je umělá synapse vodivá a propustná. © NIST

Nanoclustery se chovají jako malé tyčové magnety. V počátečním stavu jsou v bariérové ​​vrstvě disordered, jejich otočení směřuje různými směry. Když jsou však vystaveny magnetickým impulzům - například paralelně s elektrickým signálem nebo externě dodávaným nanoclusterům - jejich uspořádání se změní: čím více pulzů obdrží, tím více jsou uspořádány otočení nanoclusterů. zobrazit

„Stupeň pořadí těchto nanoklastrů odpovídá počtu ukotvovacích míst neurotransmiterů v biologické synapse, “ vysvětlují vědci.

Chování se přizpůsobuje

Trik zde: aby umělá synapse předala signál, musí dosáhnout určité minimální tloušťky. Komponenta generuje posloupnost napěťových špiček pouze při překročení této prahové hodnoty. Pokud jsou nanookleaty uspořádány častěji pomocí často přicházejících magnetických signálů, klesá práh pro přenos signálu Umělá synapse se přizpůsobuje.

"Zařízení se od přírody chová jako umělá synapse, která interaguje s elektrickými pulzy, " říká Schneider a jeho kolegové. Čím intenzivnější je tato synapse, tím nižší je její práh. Tím se posílí signální cesta počítače a hardwarová síť se postupem času přizpůsobí této zkušenosti. "To nám dává synaptický prvek pro neuromorfní počítače budoucnosti, " uvedli vědci.

Funkce umělé synapse ve srovnání s biologickým NIST

Extrémně rychlý a ekonomický

Také pozoruhodné: umělá synapse může střílet mnohem rychleji než její biologický protějšek. Zatímco nervová spojení mohou přenášet asi 50 signálů za sekundu, magnetická nanoclusterová komponenta vystřeluje asi miliardkrát za sekundu, vědci tvrdí. Současně potřebuje pouze jednu desetitisícinu energie jako biologická synapse. „Nevíme o žádné jiné umělé synapse, která potřebuje tak málo energie, “ říká Schneider.

Takové magnetické synapsy by mohly být použity, mimo jiné, v budoucích počítačích, které používají supravodivé komponenty a magnetické signály pro zpracování a ukládání dat. Jak vědci vysvětlují, nové umělé synapsie v takovém počítači by se daly snadno naskládat na sebe, což umožňuje i složité neuromorfní struktury. (Science Advances, 2018; doi: 10.1126 / sciadv.1701329)

(Národní institut pro standardy a technologie (NIST), 30.01.2018 - NPO)