Учёные из Массачусетского технологического института нашли замену кремниевым транзисторам для создания нового поколения мощнейших процессоров для задач искусственного интеллекта и машинного обучения. Используя простые и доступные соединения фосфора и кремния, учёные создали аналоговые логические элементы, которые работают намного быстрее кремниевых транзисторов и в миллион раз быстрее синапсов в мозге человека.
Источник изображения: Ella Maru Studio, Murat Onen / MIT
Сравнение с мозгом не случайно. Нейроны в комплексе могут быть довольно большими, тогда как новые логические элементы — протонные резисторы — могут быть в тысячи раз меньше. В объём головного мозга можно будет вместить настолько мощный аналоговый процессор, что это будет нечто невообразимое по современным меркам. Впрочем, для этого предстоит сделать ещё много открытий, хотя главное — базовый элемент — учёные уже изобрели.
Протонный резистор представляет собой изолированную область из оксида, в которую с помощью мощного электромагнитного поля загоняют определённое количество протонов. Поле к протонам прикладывается предельное, которое почти что может «сжечь материал», как говорят учёные. На практике это напряжение около 10 В, приложенное к плёнке толщиной несколько нанометров. Высочайшая напряжённость поля в минимальном объеме заставляет протоны буквально «телепортироваться» в область резистора или обратно, если поменять полярность. Это даёт скорость работы на уровне наносекунд, что намного быстрее скорости работы нейронов мозга.
Поскольку в область резистора можно загнать условно любое количество протонов, это позволяет простым образом задавать весовые коэффициенты каждому из них, что устраняет необходимость длительного процесса обучения нейронной сети. Нейронная сеть в объёме такого аналогового процессора создаётся едва ли не мгновенно, что для практической работы очень важно. Дальше процессор в виде массива резисторов работает как обычный, только данные не нужно перемещать между процессором и памятью при обработке, что также ускоряет обработку и экономит потребление, ведь никакие данные за пределы процессора не пересылаются.
Протоны в качестве «наполнителей» резисторов выбраны не случайно. Носителями протонов служит твёрдый электролит в виде популярного неорганического вещества фосфосиликатного стекла (PSG). Оно совместимо с кремнием и доступно. Кроме того, обеспечивая проводимость протонов, оно служит изолятором для электронов, делая области с резисторами изолированными для электрического тока. Главным достижением открытия стало использование в структуре протонного резистора фосфосиликатного стекла, которое придало ему все те чудные свойства, о которых рассказали учёные. Осталось разработать производственный процесс, архитектуру и диапазоны рабочих напряжений, и этому учёные посвятят следующие исследования.