Инженеры Массачусетского технологического института показали «мозг на кристалле». Будучи по размерам меньше куска конфетти, он состоит из десятков тысяч искусственных синапсов мозга или мемристоров — кремниевых компонентов, имитирующих работу синапсов по передаче информации в человеческий мозг.
Новый тип мемристоров способен запоминать изображения и воспроизводить их в лучшем качестве, причем многократно. Разработку можно применить в конструкции нейроморфных устройств — электроники, которая обрабатывает информацию по схеме, имитирующей нейронную архитектуру мозга. Эти схемы можно встраивать в небольшие портативные устройства и выполнять с их помощью сложные вычислительные задачи.
«Мы пытаемся создать настоящее оборудование для нейронных сетей для портативных систем искусственного интеллекта», — говорит Живан Ким, доцент кафедры машиностроения. — «Представьте себе, что вы подключите нейроморфное устройство к камере вашего автомобиля, и оно сможет распознавать источники света и объекты, а затем немедленно принимать решение, не подключаясь к Интернету».
Транзистор в обычной схеме передает информацию, переключаясь между одним из двух значений, 0 и 1, и делает это только тогда, когда сигнал, который он принимает в виде электрического тока, имеет соответствующую силу. Мемристор же, подобно синапсу в мозге, будет работать по градиенту. Сигнал, который он генерирует, будет меняться в зависимости от силы принимаемого сигнала. Это позволит одному мемристору иметь много значений и, следовательно, выполнять гораздо более широкий диапазон операций, чем двоичные транзисторы.
Подобно мозговому синапсу, мемристор также сможет «запомнить» значение, связанное с данной силой тока, и генерировать точно такой же сигнал в следующий раз, когда он получит аналогичный ток.
Ученые предполагают, что мемристорам потребуется гораздо меньше микросхем, чем обычным транзисторам, и это позволит создавать мощные портативные вычислительные устройства, которым не нужно будет подключаться к Интернету.
Существующие конструкции, однако, ограничены в производительности. Один мемристор состоит из положительного и отрицательного электрода, разделенных «переключающей средой». Когда на один электрод подается напряжение, его ионы протекают через эту среду, образуя «канал проводимости» к другому электроду. Размер ионного канала и воспроизводимого сигнала должен быть пропорционален силе стимулирующего напряжения.
Ким говорит, что существующие конструкции мемристоров работают довольно хорошо в тех случаях, когда напряжение стимулирует большой проводящий канал или сильный поток ионов от одного электрода к другому. Но эти конструкции менее надежны, когда мемристоры должны генерировать более тонкие сигналы через более тонкие каналы проводимости. Чем тоньше канал проводимости, тем труднее группироваться отдельным ионам. В результате приемному электроду трудно надежно захватить требуемое количество ионов и, следовательно, передать тот же сигнал.
Ким и его коллеги нашли способ обойти это ограничение, позаимствовав технику из металлургии. Ученые отметили, что металлурги пытаются добавлять разные атомы в объемную матрицу для усиления материалов. Инженеры же обычно используют серебро в качестве материала для положительного электрода. Команда Кима выяснила, что медь может быть идеальным легирующим элементов, так как она способна связываться и с серебром, и с кремнием, чтобы эффективно удерживать ионы серебра вместе, позволяя им быстро перетекать на другой электрод.
Группа сначала изготовила отрицательный электрод из кремния, а затем — положительный электрод, нанеся небольшое количество меди и сверху — слой серебра. Два электрода зафиксировали вокруг аморфной кремниевой среды. Получилась кремниевая микросхема площадью в один квадратный миллиметр и с десятками тысяч мемристоров.
Сначала с помощью чипа ученые воссоздали серое изображение щита Капитана Америка. Они приравнивали каждый пиксель изображения к соответствующему мемристору в чипе, а затем смодулировали проводимость каждого мемристора соответственно насыщенности цвета в соответствующем пикселе. Микросхема воспроизводила такое же четкое изображение и могла «запоминать» его и многократно повторять.
Кроме того, чип пропустили через задачу обработки изображения, включая резкость и размытие. Новый дизайн позволял выполнить операции более надежно, чем это делали уже существующие конструкции.
См. также:
