ИНЖЕНЕРЫ СОЗДАЛИ ПОЛНОСТЬЮ ОПТИЧЕСКИЙ ИСКУССТВЕННЫЙ СИНАПС

Исследователи экспериментально и на цифровых моделях доказали, что кристалл с эффектом люминесценции способен работать как искусственный синапс без участия электроники. Отказ от перевода света в ток поможет многократно снизить энергопотребление датчиков в системах машинного зрения. Однако успех пока подтвердили лишь на крупном лабораторном прототипе, поэтому технология потребует дальнейшей оптимизации.

Традиционные архитектуры компьютеров исторически разделяли обработку данных и их хранение. Перемещение информации между процессором и памятью тратит много времени и энергии. Эта проблема особенно мешает работе алгоритмов машинного обучения. Биологический мозг устроен эффективнее: сила межнейронных связей выступает одновременно хранилищем опыта и вычислительным фильтром для новых сигналов.

Инженеры долгое время конструировали нейроморфные чипы, копирующие устройство мозга. Первые искусственные синапсы работали на электронных компонентах и потребляли много энергии на нагрев. Позже появились оптоэлектронные устройства, принимавшие световой сигнал напрямую от источника, но для изменения параметров памяти они все равно задействовали электрическую цепь.

Ученые искали, как создать полностью оптический синапс. В такой схеме свет должен был одновременно доставлять сигнал и менять силу связи между узлами сети. Новая работа продемонстрировала жизнеспособность подобного подхода. Результаты опубликовали в журнале Advanced Photonics. 

Инженеры измерили отклик люминесцентного материала на оптические импульсы разной частоты. Они сравнили поведение системы при поочередном облучении ультрафиолетом и инфракрасным светом.

В качестве материала выбрали кристалл, легированный стронцием, европием и диспрозием, который обладал эффектом долгой люминесценции. Кроме того, в нем баланс между немедленным свечением и запасанием энергии зависел от предыдущих порций света. Такое поведение идеально подошло для имитации памяти нейрона: материал «помнил» прошлые вспышки света без дополнительных микросхем.

Во время опытов ученые посылали на кристалл парные световые импульсы. Ультрафиолет работал как усилитель. Его первая вспышка забивала структурные ловушки зарядом. К моменту второго импульса свободных ловушек не оставалось, поэтому энергия сразу превращалась в свечение. В итоге ответ на второй импульс оказывался сильнее, чем на первый. 

Инфракрасный свет давал обратный эффект: он выбивал заряды из ловушек. Первая вспышка забирала весь накопленный запас, поэтому на вторую ничего не оставалось, и ответ кристалла был тусклым. Способность материала самостоятельно делать оптический сигнал ярче или слабее доказала его пригодность для сборки логических цепей.

На практике физики превратили кристалл в пленку и закрыли ею классическую матрицу цифровой камеры. Покрытие сработало как чувствительный оптический фильтр. Яркие детали картинки долго оставляли след, а случайные пиксельные шумы мгновенно гасли до момента оцифровки кадра. Следом на компьютерной модели проверили работу сенсора в задаче распознавания рукописных цифр. Без включения свойств кристалла программная точность нейросети составила 78%, а при симуляции работы оптического синапса возросла почти до 96%.

Однако говорить о готовых оптических процессорах с такими показателями преждевременно. Сложная камера из тысяч световых синапсов пока существует только в компьютерном симуляторе. В реальности одиночный кристаллический прототип реагировал на команды за десятки миллисекунд. Для современной микроэлектроники это огромная задержка. Устройство также потребовало слишком высоких затрат энергии на свечение лазера. Обратить эти недостатки в плюсы поможет уменьшение размера чипа до микрометров.

Эксперимент доказал, что камера в целом способна вычислять и запоминать нюансы кадра без привлечения тока. В перспективе технология может помочь дольше беречь заряд батареи за счет отказа от части тяжелых вычислительных процессов.

Телеграм: t.me/ainewsline

Источник: vk.com

Комментарии: