Российские физики создали «электронные синапсы» для нейросетей

руппа ученых из Московского физико-технического института (МФТИ) создала прототипы наноразмерных «электронных синапсов» на основе сверхтонких пленок оксида гафния. При этом созданные наноустройства проявляют свойства, аналогичные биологическим синапсам. С помощью разработанной технологии мемристоры были объединены в матрицы: в перспективе это позволит создавать компьютеры, работающие на принципах биологических нейронных сетей.

Мемристоры (memory+resistor) - устройства, способные менять свое состояние (проводимость) в зависимости от протекшего через них заряда, и, таким образом, имеющие память о своей «предыстории». В данной работе использовались устройства на основе пленок оксида гафния - материала, который уже используется в производстве современных процессоров. С этой точки зрения, разработанная лабораторная технология, если потребуется, может быть легко внедрена в промышленность.

Синапс - ключ к обучению и памяти

Синапс - это место соединения нейронов, основная функция которого - передача сигнала от одного нейрона к другому. Каждый нейрон может иметь тысячи синапсов, то есть, связываться с огромным числом других нейронов. Это позволяет обрабатывать информацию не в последовательном (как делают современные компьютеры), а в параллельном режиме. Именно в этом, по мнению специалистов, кроется причина столь фантастической эффективности «живых» нейронных сетей.

С точки зрения физики, трактовка «памяти» и «обучения» синапса в мозге может быть следующей: соединение нейронов обладает какой-то определенной «проводимостью», значение которой определяется историей прошедших через соединение сигналов. При этом, если синапс передает возбуждение от одного нейрона к другому, то мы можем сказать, что у него высокая «проводимость», а если нет - то низкая. Однако, синапсы работают не просто в режиме выключено/включено, а могут иметь любой промежуточный «вес» (промежуточное значение проводимости). Соответственно, если мы хотим имитировать их с помощью каких-нибудь устройств, то они должны обладать именно такими - «аналоговыми» характеристиками.

Мемристор как аналог синапса

Как и у биологического синапса, величина электрической проводимости мемристора является итогом всей его предыдущей «жизни» - от самого момента изготовления.

Есть несколько физических эффектов, на основе которых можно создавать мемристоры. В данной работе авторы использовали устройства на основе тонкопленочного оксида гафния, в которых наблюдается эффект обратимого электрического пробоя под действием приложенного электрического поля. Чаще всего в таких устройствах используют только два разных состояния, кодирующих логические ноль и единицу. Однако, для имитации биологических синапсов необходимо было реализовать непрерывный набор проводимостей в изготовленных устройствах.

На созданных «аналоговых» мемристорах авторы смоделировали несколько механизмов обучения («пластичность») биологических синапсов. В частности, речь идет о таких функциях, как долговременное усиление или ослабление связи между двумя нейронами. Общепринято, что именно эти явления лежат в основе механизмов памяти.

Также авторам удалось продемонстрировать более сложный механизм - так называемую временную пластичность («spike-timing-dependent plasticity»), то есть зависимость величины связи между нейронами от относительного времени их «срабатывания». Ранее было показано, что именно этот механизм отвечает за ассоциативное обучение - способности мозга находить связи между разными событиями.

При этом для демонстрации такой функции в своих мемристорных устройствах авторы специально использовали электрические сигналы, подаваемые на электроды мемристоров, по форме воспроизводящие сигналы в живых нейронах, и получили зависимость, очень похожую на те, которые наблюдаются в живых синапсах.

Все это позволило авторам утверждать, что созданные ими элементы можно рассматривать как прототип «электронного синапса», на основе которого можно создавать искусственные нейронные сети «в железе».

Источник: www.robogeek.ru

Комментарии: