I ricercatori fanno progressi con il calcolo neuromorfico

Un team di ricercatori del Korea Advanced Institute of Science (KAIST) ha segnalato un dispositivo di memoria neuromorfica di dimensioni nanometriche che emula simultaneamente neuroni e sinapsi in una cellula unitaria. Il nuovo progresso è un passo importante verso il raggiungimento del calcolo neuromorfico in grado di imitare il cervello umano con dispositivi a semiconduttore. 

La ricerca è stata pubblicata in Nature Communications.

Realizzare l'intelligenza artificiale con il calcolo neuromorfico

Gli esperti stanno lavorando per ottenere il calcolo neuromorfico per realizzare l'intelligenza artificiale (AI) imitando i meccanismi dei neuroni e delle sinapsi nel cervello umano. I computer attuali non possono fornire determinate funzioni cognitive del cervello umano a causa di diverse limitazioni, ma il loro potenziale è stato esplorato a fondo. 

Detto questo, gli attuali circuiti neuromorfici basati su CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) collegano neuroni artificiali e sinapsi senza interazioni sinergiche. L'implementazione di neuroni e sinapsi si è rivelata difficile. 

Per superare questi limiti, il gruppo di ricerca guidato dal professor Keon Jae Lee del Dipartimento di scienza e ingegneria dei materiali ha implementato i meccanismi di funzionamento biologico degli esseri umani introducendo le interazioni neurone-sinapsi in una singola cellula di memoria. Ciò differisce dall'approccio tradizionale di collegare elettricamente dispositivi neuronali e sinaptici artificiali. 

Dispositivi sinaptici artificiali

I dispositivi sinaptici artificiali precedentemente studiati vengono spesso utilizzati per accelerare i calcoli paralleli, il che dimostra chiare differenze rispetto ai meccanismi operativi del cervello umano. Implementando le interazioni sinergiche tra neuroni e sinapsi nel dispositivo di memoria neuromorfica, è stato possibile emulare i meccanismi della rete neurale biologica. Il dispositivo neuromorfico può anche sostituire complessi circuiti di neuroni CMOS con un singolo dispositivo, che migliora la scalabilità e l'efficienza dei costi. 

Il cervello umano è costituito da una complessa rete di 100 miliardi di neuroni e 100 trilioni di sinapsi, e le funzioni e le strutture di questi possono cambiare a seconda degli stimoli esterni, il che consente loro di adattarsi all'ambiente circostante. Il dispositivo neuromorfico sviluppato dal team consente la coesistenza di memorie a breve e lungo termine utilizzando dispositivi di memoria volatili e non volatili che imitano le caratteristiche dei neuroni e delle sinapsi. La memoria volatile è rappresentata da un dispositivo di commutazione di soglia, mentre la memoria a cambiamento di fase è utilizzata come dispositivo non volatile. Con due dispositivi a film sottile integrati senza elettrodi immediati, l'adattabilità funzionale dei neuroni e delle sinapsi potrebbe essere implementata nella memoria neuromorfica. 

"I neuroni e le sinapsi interagiscono tra loro per stabilire funzioni cognitive come la memoria e l'apprendimento, quindi simulare entrambi è un elemento essenziale per l'intelligenza artificiale ispirata al cervello", ha affermato il professor Lee. "Il dispositivo di memoria neuromorfica sviluppato imita anche l'effetto di riqualificazione che consente un rapido apprendimento delle informazioni dimenticate implementando un effetto di feedback positivo tra neuroni e sinapsi".