Цифровой мозг: ученые разработали новый материал для нейроморфных запоминающих устройств

Российские ученые совместно с коллегами из Китая создали новый материал для нейроморфных запоминающих и вычислительных устройств. Такие системы работают по принципам, сходным с принципами работы биологических нейронов, и превосходят классические кремниевые процессоры и карты памяти по энергоэффективности. Авторы исследования предложили использовать в качестве системных единиц металлорганические кристаллы из полимера, меди и молекул воды. Предварительные расчеты показали, что этот инновационный материал сможет очень точно «распознавать» и «запоминать» информацию. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Communications Materials. https://www.nature.com/articles/s43246-024-00573-6

Ученые из Университета ИТМО, Санкт-Петербургского государственного университета и Университета Тунцзи (Китай) разработали металлорганический материал для нейроморфных процессоров и запоминающих устройств. Он способен хранить записанные данные более 200 дней, что превосходит показатели большинства известных на сегодняшний день аналогов. Об этом RT сообщили в пресс-службе РНФ. Исследование поддержано грантом фонда. Результаты опубликованы в журнале Communications Materials.

Как отметили авторы работы, сегодня в области IT-технологий все большую популярность обретают нейроморфные системы — алгоритмы, по принципу работы напоминающие функционирование головного мозга. Если многие устройства для хранения информации состоят из вычислительного процессора и отдельной памяти, то в нейроморфных системах эти два компонента объединены в блок, блоки собираются в сложные сети, которые работают не постоянно, а импульсами.

Такое внутреннее устройство позволяет системам за минимальное время и с относительно небольшим энергопотреблением одновременно выполнять сложные вычисления, хранить и обрабатывать огромные объемы информации. Однако для создания таких систем нужны новые материалы, отличающиеся по своим физическим свойствам от кремния, из которого делают традиционные процессоры.

Ученым удалось разработать такой материал. Его структурной единицей является кристалл из пористой полимерной матрицы с включением молекул воды и меди. Под воздействием лазера молекулы временно отщепляются от внутренней поверхности пор, в результате чего изменяются электронные свойства кристалла. Этот процесс похож на поведение нервной клетки человеческого мозга при поступлении извне химического стимула.

С помощью лазерных и электрических импульсов двух типов — аналогичных двоичному коду у обычных компьютеров 0 и 1 — ученые на определенное время поменяли состояние кристалла и «записали» на него информацию. Химико-физические расчеты и эксперименты показали, что данные смогут храниться на таком носителе до 200 дней, что на порядок дольше большинства известных сегодня нейроморфных материалов.

На основе полученных результатов исследований поведения кристалла ученые создали компьютерную модель нейросети и на примере 60 тыс. изображений обучили ее распознавать рукописный текст. Точность распознавания при этом составила 100%, а само распознавание выполнялось многократно — более 50 раз.

«Пока это была только симуляция на основе экспериментальных данных о поведении исследуемого материала, а не прямой эксперимент с физическим устройством, обрабатывающим изображения. Симуляция позволила нам оценить потенциал металлоорганического соединения для задач машинного обучения. В дальнейшем нам предстоит создать реальную нейроморфную сеть на базе таких кристаллов», — рассказал RT руководитель проекта Валентин Миличко, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник физического факультета Университета ИТМО.

Источник: www.nature.com

Комментарии: