Výskumníci dosiahli pokrok v oblasti neuromorfných výpočtov

Tím výskumníkov z Kórejského pokročilého vedeckého inštitútu (KAIST) oznámil neuromorfné pamäťové zariadenie s nano-veľkosťou, ktoré simuluje neuróny a synapsie súčasne v jednotkovej bunke. Nový pokrok je hlavným krokom k dosiahnutiu neuromorfných výpočtových systémov, ktoré dokážu napodobniť ľudský mozog pomocou polovodičových zariadení. 

Výskum bol publikovaný v roku XNUMX Nature Communications.

Realizácia AI pomocou neuromorfných výpočtov

Odborníci pracujú na tom, aby neuromorfné výpočty realizovali umelú inteligenciu (AI) napodobňovaním mechanizmov neurónov a synapsií v ľudskom mozgu. Súčasné počítače nedokážu zabezpečiť určité kognitívne funkcie ľudského mozgu kvôli niekoľkým obmedzeniam, ale ich potenciál bol dôkladne preskúmaný. 

Súčasné neuromorfné obvody na báze komplementárneho metal-oxidového polovodiča (CMOS) teda spájajú umelé neuróny a synapsie bez synergických interakcií. Implementácia neurónov a synapsií sa ukázala ako náročná. 

Na prekonanie týchto obmedzení výskumný tím pod vedením profesora Keona Jae Leeho z Katedry materiálovej vedy a inžinierstva implementoval biologické pracovné mechanizmy ľudí zavedením interakcií neurón-synapsia v jednej pamäťovej bunke. To sa líši od tradičného prístupu elektrického prepojenia umelých neurónových a synaptických zariadení. 

Umelé synaptické zariadenia

Umelé synaptické zariadenia, ktoré boli predtým študované, sa často používajú na urýchlenie paralelných výpočtov, čo demonštruje jasné rozdiely od operačných mechanizmov ľudského mozgu. Implementáciou synergických interakcií medzi neurónmi a synapsiami v neuromorfnom pamäťovom zariadení bolo možné napodobniť mechanizmy biologickej neurónovej siete. Neuromorfné zariadenie môže tiež nahradiť zložité neurónové obvody CMOS jediným zariadením, čo zlepšuje škálovateľnosť a efektívnosť nákladov. 

Ľudský mozog sa skladá z komplexnej siete 100 miliárd neurónov a 100 biliónov synapsií, ktorých funkcie a štruktúry sa môžu meniť v závislosti od vonkajších podnetov, čo im umožňuje prispôsobiť sa okolitému prostrediu. Neuromorfné zariadenie vyvinuté tímom umožňuje koexistenciu krátkodobých a dlhodobých spomienok pomocou prchavých a energeticky nezávislých pamäťových zariadení, ktoré napodobňujú charakteristiky neurónov a synapsií. Prchavá pamäť je reprezentovaná zariadením prahového spínača, zatiaľ čo pamäť zmeny fázy sa používa ako energeticky nezávislé zariadenie. S dvomi tenkovrstvovými zariadeniami integrovanými bez okamžitých elektród by mohla byť funkčná adaptabilita neurónov a synapsií implementovaná do neuromorfnej pamäte. 

"Neuróny a synapsie navzájom spolupracujú, aby vytvorili kognitívne funkcie, ako je pamäť a učenie, takže simulácia oboch je základným prvkom pre umelú inteligenciu inšpirovanú mozgom," povedal profesor Lee. "Vyvinuté neuromorfné pamäťové zariadenie tiež napodobňuje rekvalifikačný efekt, ktorý umožňuje rýchle učenie sa zabudnutých informácií implementáciou pozitívneho spätného účinku medzi neurónmi a synapsiami."