Vědci napodobují mozkové neurony pomocí polovodičového materiálu

Počítačové čipy jsou jedním z nejdůležitějších aspektů umělé inteligence (AI). Tyto malé, ale mocné kousky jsou základem automatického rozpoznávání obrazů a jsou částečně odpovědné 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 obtížná věc.

Jelikož konvenční mikroelektronika může být optimalizována pouze do určité míry kvůli fyzickým omezením, vědci se obrátili na lidský mozek, jak často dělají, aby hledali inspiraci, jak zpracovávat a ukládat informace efektivněji.

Vědci z Technické univerzity v Drážďanech a Helmholtzova centra v Drážďanech-Rossendorfu (HZDR) úspěšně napodobovali fungování mozkových neuronů pomocí polovodičových materiálů, poprvé.

Výzkum byl zveřejněn v časopise Nature Electronics.

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

Dnešní mikroelektronika vs umělý neuron

Technika, která se nejčastěji používá dnes k zlepšení výkonu mikroelektroniky, spočívá ve snižování velikosti komponent. V případě křemíkových počítačových čipů se tato redukce provádí u jednotlivých tranzistorů.

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

Vědci se pokusili napodobit mozek a vytvořit umělý neuron, který by mohl kombinovat zpracování dat 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 efektivními poli, abychom vytvořili umělý neuronový tranzistor.“

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

Lidský mozek

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

Tým vědců úspěšně implementoval neurotransistor.

„Aplikujeme viskózní látku – nazývanou sol-gel – na konvenční křemíkový wafer s obvody. Tento polymer se zatvrdí 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. Toto zpoždění, nazývané hystereze, je to, co způsobuje efekt ukládání. Čím více je individuální 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 až 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 vyvíjet software.“

Jedním z dalších hlavních výhod tohoto typu počítače je, že plasticita umožňuje dělat změny a adaptovat se během provozu. Stejně jako lidský mozek, to znamená, že počítač může nakonec narazit na a vyřešit problémy, které nebyly nikdy naprogramovány.