Cercetătorii Imită Neuronii Creierului Utilizând Material Semiconductiv

Cipurile de calculator sunt unul dintre cele mai importante aspecte ale inteligenței artificiale (IA). Aceste piese puternice și mici sunt fundamentale pentru recunoașterea automată a imaginilor și sunt parțial responsabile pentru învățarea roboților să efectueze anumite activități, cum ar fi mersul. Odată cu creșterea potențialului tehnologiei IA, cipurile de calculator de astăzi trebuie să fie atât extrem de puternice, cât și economice, dar acest lucru este dificil de realizat.

Deoarece microelectronica convențională poate fi optimizată doar până la un anumit punct din cauza limitărilor fizice, cercetătorii s-au întors către creierul uman, așa cum fac adesea, pentru a găsi inspirație pentru a procesa și stoca informații mai eficient.

Oamenii de știință de la TU Dresden și Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) au reușit să imite funcționarea neuronilor creierului prin utilizarea materialelor semiconductoare, pentru prima dată.

Cercetarea a fost publicată în revista Nature Electronics.

Lucrarea a fost realizată de trei autori principali, printre care și fizicianul HZDR Larysa Baraban, și a fost o colaborare internațională între șase instituții.

Microelectronica de Astăzi vs Neuronul Artificial

Tehnica cea mai frecvent utilizată astăzi pentru a îmbunătăți performanța microelectronicii constă în reducerea dimensiunii componentelor. În cazul cipurilor de siliciu, această reducere are loc la nivelul tranzistorilor individuali.

Conform lui Baraban, “Acest lucru nu poate continua la infinit – avem nevoie de abordări noi.”

Cercetătorii au încercat să imite creierul și să creeze un neuron artificial care să poată combina procesarea și stocarea datelor.

“Grupul nostru are o experiență vastă în domeniul senzorilor electronici biologici și chimici”, spune Barbara. “Așadar, am simulat proprietățile neuronilor utilizând principiile senzorilor bios și am modificat un tranzistor clasic cu efect de câmp pentru a crea un tranzistor de neuron artificial.”

Acestă abordare permite stocarea și procesarea simultană a informațiilor, toate într-un singur component. În tehnologia tranzistorilor cea mai utilizată astăzi, aceste două procese sunt separate, ceea ce duce la timpuri de procesare mai lente și limitări ale performanței.

Creierul Uman

Cercetătorii au lucrat mulți ani la construirea de calculatoare bazate pe creierul uman, dar multe dintre aceste încercări au fost nereușite. Unele dintre primele încercări au implicat legarea celulelor nervoase de electronice în vase Petri, dar, așa cum spune Gianaurelio Cuniberti, profesor de știința materialelor și nanotehnologie la TU Dresden, “un cip de calculator umed care trebuie hrănit în permanență nu este de nici un folos nimănui.”

Echipa de cercetători a reușit să implementeze neurotransistorul.

“Aplicăm o substanță vâscoasă – numită sol-gel – pe un wafer de siliciu convențional cu circuite. Acest polimer se întărește și devine o ceramică poroasă”, spune Cuniberti. “Ionii se deplasează între goluri. Ei sunt mai grei decât electronii și mai lenti în a reveni la poziția lor după excitare. Această întârziere, numită histerezis, este cea care provoacă efectul de stocare. Cu cât un tranzistor individual este excitat mai mult, cu atât mai repede se va deschide și va lăsa curentul să curgă. Acest lucru întărește legătura. Sistemul învață.”

Conform echipei, cipul va fi mai puțin precis și va estima calculele matematice, comparativ cu calcularea lor până la ultima zecimală.

“Dar ar fi mai inteligente”, spune Cuniberti. “De exemplu, un robot cu astfel de procesoare ar învăța să meargă sau să apuce; ar avea un sistem optic și ar învăța să recunoască legături. Și toate acestea fără a trebui să dezvoltăm nici un software.”

Unul dintre celelalte beneficii majore ale acestui tip de calculator este că plasticitatea îi permite să facă schimbări și să se adapteze în timpul funcționării. La fel ca și creierul uman, acest lucru înseamnă că calculatorul poate ajunge să întâmpine și să rezolve probleme pe care nu a fost programat să le rezolve inițial.