Vědci napodobují mozkové neurony pomocí polovodičového materiálu

Počítačové čipy jsou jednou z nejdůležitějších součástí umělé inteligence (AI). Tyto malé, ale mocné součástky jsou základem automatického rozpoznávání obrazů a jsou částečně zodpovědné za to, že roboti se učí provádět určité činnosti, jako je chůze. S rostoucím potenciálem technologie AI jsou dnešní počítačové čipy vyžadovány být nejen extrémně výkonné, ale také ekonomické, což je obtížné dosáhnout.

Jelikož konvenční mikroelektronika může být optimalizována pouze do jisté míry kvůli fyzickým omezením, vědci se často inspirují u lidského mozku, aby zjistili, jak zpracovávat a ukládat informace účinněji.

Vědci z TU Dresden a Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) úspěšně napodobovali fungování mozkových neuronů pomocí polovodičových materiálů, poprvé v historii.

Výzkum byl zveřejněn v časopise Nature Electronics.

Práce byla provedena třemi hlavními autory, včetně fyzika HZDR Larysy Baraban, a byla mezinárodní spoluprací šesti institucí.

Dnešní mikroelektronika vs umělý neuron

Metoda, která se nejčastěji používá dnes k zlepšení výkonu mikroelektroniky, spočívá ve snižování velikosti součástek. V případě křemíkových počítačových čipů se tato redukce týká jednotlivých tranzistorů.

Podle Baraban, „to nemůže pokračovat donekonečna – potřebujeme nové přístupy.“

Vědci se snažili napodobit mozek a vytvořit umělý neuron, který by mohl kombinovat zpracování a ukládání dat.

„Naše skupina má rozsáhlé zkušenosti s biologickými a chemickými elektronikami, “ říká Barbara. „Takže jsme simulovali vlastnosti neuronů pomocí principů biosenzorů a modifikovali klasický tranzistor s efektem pole, abychom vytvořili umělý neuronový tranzistor.“

Tento přístup umožňuje současně ukládat a zpracovávat informace, vše v jednom součástce. V tranzistorové technologii, která se používá dnes, jsou tyto dva procesy odděleny, což vede k pomalejšímu zpracování a omezením výkonu.

Lidský mozek

Vědci již mnoho let pracují na konstrukci počítačů založených na lidském mozku, ale mnoho z nich bylo neúspěšných. Některé z prvních pokusů zahrnovaly spojení nervových buněk s elektronikou v Petriho miskách, ale jak říká Gianaurelio Cuniberti, profesor materiálové vědy a nanotechnologie na TU Dresden, „mokrý počítačový čip, který musí být krmen neustále, je k ničemu.“

Tým vědců úspěšně implementoval neurotransistor.

„Aplikujeme viskózní látku – nazývanou sol-gel – na konvenční křemíkovou destičku s obvody. Tento polymer ztuhne a stane se porézní keramikou, “ říká Cuniberti. „Ionty se pohybují mezi dírkami. Jsou těžší než elektrony a pomalejší se vrátit do své pozice po excitaci. Tento zpoždění, nazývané hystereze, je to, co způsobuje efekt ukládání. Čím více je jeden tranzistor excitován, tím dříve se otevře a umožní proud. To posiluje spojení. Systém se učí.“

Podle týmu bude čip méně přesný a bude odhadovat matematické výpočty, ve srovnání s tím, že je vypočte přesně na poslední desetinné místo.

„Ale budou více inteligentní, “ říká Cuniberti. „Například robot s takovými procesory se naučí chodit nebo uchopit; bude mít optický systém a naučí se rozpoznávat spojení. A vše bez nutnosti vyvinout jakýkoli software.“

Jednou z dalších velkých výhod tohoto typu počítače je, že plasticita umožňuje měnit a adaptovat během provozu. Stejně jako lidský mozek, to znamená, že počítač může narazit a vyřešit problémy, se kterými nebyl původně naprogramován.