Розроблено швидкий, ефективний і довговічний штучний синапс

Здатність мозку одночасно вивчати і запам'ятовувати великі обсяги інформації, при цьому не вимагаючи великої кількості енергії, надихнула вчених на створення нейроморфних комп'ютерів. Дослідники зі Стенфордського університету та Національної лабораторії Сандіа розробили важливу частину такого комп'ютера: пристрій, який діє як штучний синапс, імітуючи спосіб взаємодії нейронів у мозку.

У документі, опублікованому журналом Science 25 квітня, команда дослідників повідомляє, що набір прототипів з дев'яти таких пристроїв працював навіть краще, ніж очікувалося, за швидкістю обробки, енергоефективністю, відтворюваністю і довговічністю.

Заглядаючи вперед, вчені хочуть об'єднати свій штучний синапс з традиційною електронікою, що, як вони сподіваються, може стати кроком до підтримки штучного інтелектуального навчання на невеликих пристроях.

«Якщо у вас є система пам'яті, яка може вчитися з енергоефективністю і швидкістю, які ми представили, то ви можете помістити її в смартфон або ноутбук», - сказав Скотт Кін, співавтор дослідження. «Це відкрило б доступ до можливості навчати наші власні мережі і вирішувати проблеми локально на наших власних пристроях, не покладаючись на передачу даних».

Штучний синапс подібний до батареї, модифікованої таким чином, щоб дослідники могли набирати або зменшувати потік електрики між двома терміналами. Такий потік електрики наслідує те, як навчання пов'язане з мозком. Це ефективна схема, тому що обробка даних і зберігання в пам'яті відбуваються в одну дію, а не як у більш традиційній комп'ютерній системі, де дані спочатку обробляються, а потім переміщуються в сховище.

Вивчення того, як ці пристрої працюють у масиві, є важливим кроком, оскільки дозволяє дослідникам програмувати кілька штучних синапсів одночасно. Це займає набагато менше часу, ніж програмування кожного синапсу один за одним, і можна порівняти з тим, як насправді працює людський мозок.

У попередніх тестах більш ранньої версії цього пристрою дослідники виявили, що обробка і дії з пам'яттю вимагають приблизно одну десяту частину енергії, необхідної сучасній обчислювальній системі для виконання конкретних завдань. Проте дослідники стурбовані тим, що сума всіх цих пристроїв, що працюють разом у великих масивах, може споживати занадто багато енергії. Таким чином, вони переробили кожен пристрій, щоб проводити менше електричного струму - що робить масив ще більш енергоефективним.

Створений масив 3 на 3 ґрунтувався на пристрої другого типу - розробленому Джошуа Янгом з Массачусетського університету.

"Для підключення всіх компонентів знадобилося чимало зусиль щодо усунення несправностей і багато проводів. Ми повинні були переконатися, що всі компоненти масиву працювали узгоджено ", - кажуть дослідники. "Але коли ми побачили, що все запалилося, це було схоже на різдвяну ялинку. Це був найбільш хвилюючий момент ".

Під час тестування масив перевершив очікування дослідників. Він працював з такою швидкістю, що команда пророкує, що наступну версію цих пристроїв потрібно буде тестувати за допомогою спеціальної високошвидкісної електроніки.

Після вимірювання високої енергоефективності в масиві 3 на 3, дослідники запустили комп'ютерне моделювання більшого масиву синапсів 1024 на 1024 і оцінили, що він може живитися від тих же батарей, які в даний час використовуються в смартфонах або невеликих безпілотних літальних апаратах. Дослідники також змогли перемикати пристрої понад мільярд разів - ще одне свідчення його швидкості - без видимого погіршення його поведінки.

Дослідники ще не представили свій масив для випробувань, які визначають, наскільки добре він вчиться, але це те, що вони планують вивчити найближчим часом. Команда також хоче побачити, як їх пристрій витримує різні умови - наприклад, високі температури - і працювати над інтеграцією його з електронікою. Крім того, залишилося відповісти на багато фундаментальних питань, які могли б допомогти дослідникам зрозуміти, чому їх пристрій працює так добре.