Искусственный синапс NIST для создания суперкомпьютера

Суть работы

Коммутатор NIST называется синапсом, как и его биологический аналог, и он поставляет недостающую часть для так называемых нейроморфных компьютеров. Представляемые как новый тип искусственного интеллекта, такие компьютеры могут повысить способности восприятия и принятия решений для таких приложений, как роботы, автономные автомобили и средства диагностики рака.

Синапс – это соединение или переключение между двумя клетками мозга. Искусственный синапс NIST – это приземистый металлический цилиндр диаметром 10 микрон, который похож на реальный синапс, потому что он может обрабатывать входящие электрические пики для настройки выходных сигналов. Эта обработка основана на гибком внутреннем дизайне, который может быть настроен согласно окружающей среде. Чем больше срабатывает реакций между ячейками или процессорами, тем сильнее соединение. Таким образом, реальные и искусственные синапсы могут поддерживать старые схемы и создавать новые. Синапс NIST может срабатывать намного быстрее, чем человеческий мозг – 1 миллиард раз в секунду, по сравнению с 50-секундной частотой клеток головного мозга. 

«Синапс NIST имеет более низкие энергетические потребности, чем синапс человека. Мы не знаем ни одного другого искусственного синапса, который потребляет меньше энергии», - сказал физик NIST Майк Шнайдер.

Работа, аналогичная человеческому мозгу

Новый синапс будет использоваться в нейроморфных компьютерах из сверхпроводящих компонентов, которые могут передавать электроэнергию без сопротивления и, следовательно, будут более эффективными, чем другие конструкции, основанные на полупроводниках или программном обеспечении. Данные будут передаваться, обрабатываться и храниться в единицах магнитного потока. Сверхпроводящие устройства, имитирующие клетки мозга и линии передачи, уже были разработаны ранее, но до сих пор не было эффективных синапсов.

Мозг особенно эффективен для задач, таких как распознавание контекста, поскольку он обрабатывает данные как последовательно, так и одновременно, и сохраняет память в синапсах по всей системе. Обычный компьютер обрабатывает данные только в последовательности и сохраняет память в отдельном блоке.

Синапс NIST – это Эффект Джозефсона, долгое время используемый в стандартах напряжения NIST. Эти соединения представляют собой комплект из сверхпроводящих материалов с изолятором в качестве наполнителя. Когда электрический ток превышает уровень, он генерирует пики напряжения. Синапс использует стандартные ниобиевые электроды, но имеет уникальное наполнение из наноразмерных кластеров марганца в кремниевой матрице.

Около 20 000 нанокластеров на квадратный микрометр действуют как крошечные магниты на стержне с иголками, которые могут быть ориентированы либо случайным образом, либо скоординированным. «Это настроенные джозефсоновские соединения», - сказал Шнайдер. - «Мы можем контролировать количество нанокластеров в том же направлении, влияя на сверхпроводящие свойства перехода».

Синапс находится в сверхпроводящем состоянии, за исключением случаев, когда он активируется входящим током и начинает генерировать пики напряжения. Исследователи применяют импульсы тока в магнитном поле для усиления магнитного упорядочения, то есть, количества нанокластеров, работающих в одном направлении. Этот магнитный эффект постепенно снижает уровень критического тока, что упрощает создание нормального проводника и создает всплески напряжения. Эта конструкция, в которой различные входы изменяют выравнивание и выходные сигналы, аналогична тому, как работает человеческий мозг.

  Синапсовое поведение можно настроить, изменив способ изготовления устройства и его рабочую температуру. Уменьшая количество нанокластеров, исследователи могут уменьшить энергию импульса, необходимую для повышения или уменьшения магнитного порядка устройства. В реальности синапсы могут быть сложены в трех измерениях, чтобы создавать большие системы, которые можно было бы использовать для вычисления. Исследователи NIST создали модель схемы для моделирования того, как будет работать такая система.

Согласно robotics.ua, сочетание синапса NIST небольшого размера, сверхбыстрых пиковых сигналов, низких энергетических потребностей и трехмерного измерения может обеспечить средства для гораздо более сложной нейроморфной системы, чем было продемонстрировано с помощью других технологий.