Инженеры положили десятки тысяч искусственных синапсов мозга на одной микросхеме

Инженеры Массачусетского технологического института разработали «мозги-на-чипе,» меньше, чем кусок конфетти, который сделан из десятков тысяч искусственных синапсов мозга, известной как мемристоры — кремниевых компонентов, которые имитируют информация-передачи синапсов в человеческом мозге.

Исследователи заимствованных из принципов металлургии для изготовления каждого мемристор из сплавов серебра и меди, наряду с кремнием. Когда они бежали чип через несколько зрительных задач, чип был способен «запоминать» сохраненные изображения и воспроизводить их во много раз, в версиях, которые были четче и чище по сравнению с существующими конструкциями мемристор изготовлен из нелегированной элементов.

Их результаты, опубликованные сегодня в журнале Nature нанотехнологий, продемонстрирует новый перспективный дизайн мемристор для устройств нейроморфных — электроника, основанные на новом типе цепь, которая обрабатывает информацию в путе который передразнивает нейронную архитектуру мозга. Такой мозг, вдохновленный схемы могут быть построены на небольших портативных устройствах, и выполнять сложные вычислительные задачи, которые может обрабатывать только сегодняшние суперкомпьютеры.

«До сих пор существуют искусственные сети синапс как программное обеспечение. Мы пытаемся строить реальные нейросети оборудование для портативных систем искусственного интеллекта», — говорит Jeehwan Ким, адъюнкт-профессор машиностроения Массачусетского технологического института. «Представьте себе, подключив устройство нейроморфных камеру на свой автомобиль, и он распознает свет и предметы, и принять решение мгновенно, без необходимости подключения к интернету. Мы надеемся использовать энергосберегающие мемристоры, чтобы сделать эти задачи на сайте, в режиме реального времени».

Блуждающие ионы

Мемристоры, или транзисторы память, являются неотъемлемым элементом в нейроморфных вычислений. В устройстве нейроморфных, мемристорах будет служить транзистор в схеме, хотя его работа будет более похожим на мозг синапс — соединения между двумя нейронами. Синапс получает сигналы от одного нейрона, в виде ионов, и посылает соответствующий сигнал к следующему нейрону.

Транзистор в обычной цепи передает информацию, переключаясь между одним из только два значения, 0 и 1, и делает это только тогда, когда сигнал, который он получает, в виде электрического тока определенной силы. В отличие от мемристорах будет работать по градиенту, подобно синапсов в головном мозге. Он выдает сигнал будет меняться в зависимости от силы сигнала, который он получает. Это позволило бы одного мемристора иметь много значений, и поэтому проводить гораздо более широкий спектр операций, чем бинарные транзисторы.

Как мозг синапс, мемристорах будет также способен «запоминать» значения, связанного с заданной силой тока, и производят тот же сигнал в следующий раз, когда он получает в настоящее время. Это может гарантировать, что ответ на сложное уравнение, или визуальной классификации объекта, является надежным — подвиг, который обычно включает в себя несколько транзисторов и конденсаторов.

В конечном счете, ученые предполагают, что мемристоры потребует гораздо меньше чип недвижимого имущества, чем у обычных транзисторов, включение мощных, портативных вычислительных устройствах, которые не рассчитывают на суперкомпьютерах, или даже подключения к интернету.

Существующие конструкции мемристор, однако, ограничены в их исполнении. Одного мемристора состоит из положительных и отрицательных электродов, разделенных между собой «средний переход» или промежуток между электродами. При подаче напряжения на один из электродов, ионы из потока электрода через среду, образуя «канал проводимости» до другого электрода. Полученные ионы составляющих электрического сигнала, что мемристор передает через цепь. Размер ионного канала (и сигнал о том, что мемристор в конечном счете производит) должны быть пропорциональны силе стимулирующего напряжения.

Говорит Ким, что существующие конструкции мемристор очень хорошо работают в тех случаях, когда напряжение стимулирует канала Большой проводимости, или тяжелый поток ионов от одного электрода к другому. Но эти конструкции менее надежными, когда мемристоры должны создавать более тонкие сигналы, через более тонкие каналы проводимости.

Чем тоньше канал проводимости, и светлый поток ионов от одного электрода к другому, тем тяжелее для отдельных ионов, чтобы остаться вместе. Вместо этого, они, как правило, кочуют из группы, расформирование внутри среды. Как следствие, трудно для получения электрода, чтобы надежно захватить такое же количество ионов, и, следовательно, передавать тот же сигнал, при стимуляции определенного минимума диапазона тока.

Заимствования от металлургии

Ким и его коллеги нашли способ обойти это ограничение заимствований техника, металлургия, наука слияние металлов в сплавов и изучение их свойств в сочетании.

«Традиционно, металлурги пытаются добавить различные атомы в объемную матрицу для укрепления материалов, и мы подумали, почему бы не подправить взаимодействия атомов в наш мемристор, и добавить несколько легирующих элементов для управления движением ионов в нашей среде», — говорит Ким.

Инженеры обычно используют серебро в качестве материала для положительного электрода мемристор. Команда Ким посмотрел через литературу, чтобы найти элемент, который они могли сочетать с серебром эффективно удерживать ионы серебра вместе, позволяя им быстро поступать через другой электрод.

Команда высаживается на медь в качестве идеального легирующим элементом, так как он способен связать как с серебром, и с кремнием.

«Он действует как своего рода мост, и стабилизирует серебро-кремний интерфейс», — говорит Ким.

Чтобы сделать мемристоров, использующие их новый сплав, группа впервые изготовлен отрицательный электрод из кремния, затем сделал положительного электрода путем нанесения небольшое количество меди, а затем слоем серебра. Они прослоены двумя электродами вокруг аморфного кремния среды. Таким образом, они сделали по образцу на миллиметр-квадрат кремниевый чип с десятками тысяч мемристоров.

В качестве первого испытания чипа, они воссоздали полутоновые изображения Капитана Америки щит. Они приравняли каждого пикселя в изображении с соответствующим мемристор в чип. Затем они с модуляцией проводимости каждого мемристор, что является относительным в силу цвета соответствующего пикселя.

Чип произвел такой же четкое изображение щита, и был способен «запоминать» изображение и воспроизводить ее много раз, по сравнению с чипами, изготовленными из других материалов.

Команда также вела обломок с помощью задач обработки изображений, Программирование мемристоры изменять изображения, в данном случае МИТ Киллиан суд, в ряде способами, в том числе увеличение резкости и размытия исходного изображения. Опять же, их конструкция производится перепрограммированные изображений более достоверно, чем существующие конструкции мемристор.

«Мы используем искусственные синапсы сделать реальные тесты вывод», — говорит Ким. «Мы хотели бы и дальше развивать эту технологию, чтобы иметь более масштабные массивы для выполнения задач распознавания образов. И однажды, вы сможете носить искусственные мозги для такого рода задач, без подключения к суперкомпьютерам, в сети или в облаке».

Это исследование было фондировано, в части, за счет фондов поддержки науки комитета МТИ, МТИ-лаборатории IBM Уотсон ИИ, глобальной научно-исследовательской лаборатории Samsung, и Национальный научный фонд.

сделать разницу: спонсорские возможности