NISTs superledende synaps mangler muligvis stykke til kunstige hjerner

Forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har bygget en superledende switch, der "lærer" som et biologisk system og kunne forbinde processorer og gemme minder i fremtidige computere, der fungerer som den menneskelige hjerne.

NIST -kontakten, beskrevet i Videnskab fremskridt , kaldes en synapse, ligesom dens biologiske modstykke, og den leverer et manglende stykke til såkaldte neuromorfe computere. Opfattet som en ny type kunstig intelligens, sådanne computere kunne øge opfattelsen og beslutningstagningen til applikationer som selvkørende biler og kræftdiagnose.

En synapse er en forbindelse eller skifte mellem to hjerneceller. NISTs kunstige synapse - en squat metallic cylinder 10 mikrometer i diameter - er ligesom den ægte vare, fordi den kan behandle indgående elektriske pigge for at tilpasse spiking output signaler. Denne behandling er baseret på et fleksibelt internt design, der kan indstilles af erfaring eller miljø. Jo mere affyring mellem celler eller processorer, jo stærkere forbindelse. Både de virkelige og kunstige synapser kan således opretholde gamle kredsløb og skabe nye. Endnu bedre end den virkelige ting, NIST -synapsen kan affyre meget hurtigere end den menneskelige hjerne - 1 milliard gange i sekundet, sammenlignet med en hjernecelle 50 gange i sekundet - kun ved hjælp af en snert af energi, omkring en ti-tusindedel så meget som en menneskelig synapse. I tekniske termer, spidsenergien er mindre end 1 attojoule, lavere end baggrundsenergien ved stuetemperatur og på niveau med den kemiske energi, der binder to atomer i et molekyle.

"NIST -synapsen har lavere energibehov end den menneskelige synapse, og vi kender ikke til nogen anden kunstig synaps, der bruger mindre energi, "NIST -fysiker Mike Schneider sagde.

Den nye synapse ville blive brugt i neuromorfe computere lavet af superledende komponenter, som kan overføre elektricitet uden modstand, og derfor, ville være mere effektiv end andre designs baseret på halvledere eller software. Data ville blive overført, behandlet og opbevaret i enheder med magnetisk flux. Superledende enheder, der efterligner hjerneceller og transmissionslinjer, er blevet udviklet, men indtil nu, effektive synapser - et afgørende stykke - har manglet.

Hjernen er især kraftfuld til opgaver som kontekstgenkendelse, fordi den behandler data både i rækkefølge og samtidigt og gemmer minder i synapser overalt i systemet. En konventionel computer behandler kun data i rækkefølge og gemmer hukommelse i en separat enhed.

NIST -synapsen er et Josephson -kryds, længe brugt i NIST spændingsstandarder. Disse kryds er en sandwich af superledende materialer med en isolator som fyld. Når en elektrisk strøm gennem krydset overstiger et niveau, der kaldes den kritiske strøm, spændingsspidser produceres. Synapsen bruger standard niobiumelektroder, men har en unik fyldning lavet af nanoskala -klynger af mangan i en siliciummatrix.

Nanoklusterne - omkring 20, 000 pr. Kvadrat mikrometer - fungere som små stangmagneter med "spins", der kan orienteres enten tilfældigt eller på en koordineret måde.

"Disse er tilpassede Josephson -kryds, "Sagde Schneider." Vi kan kontrollere antallet af nanokluster, der peger i samme retning, hvilket påvirker krydsets superledende egenskaber. "

Synapsen hviler i en superledende tilstand, undtagen når den aktiveres af indgående strøm og begynder at producere spændingsspidser. Forskere anvender aktuelle pulser i et magnetfelt for at øge den magnetiske rækkefølge, det er, antallet af nanokluster, der peger i samme retning. Denne magnetiske effekt reducerer gradvist det kritiske strømniveau, gør det lettere at oprette en normal leder og producere spændingsspidser.

Den kritiske strøm er den laveste, når alle nanoklusterne er justeret. Processen er også reversibel:Pulser påføres uden et magnetfelt for at reducere den magnetiske rækkefølge og øge den kritiske strøm. Dette design, hvor forskellige input ændrer spinjusteringen og de resulterende outputsignaler, ligner hvordan hjernen fungerer.

Synapsadfærd kan også indstilles ved at ændre, hvordan enheden fremstilles og dens driftstemperatur. Ved at gøre nanoklusterne mindre, forskere kan reducere pulsenergien, der er nødvendig for at hæve eller sænke enhedens magnetiske rækkefølge. Øger driftstemperaturen lidt fra minus 271,15 grader C (minus 456,07 grader F) til minus 269,15 grader C (minus 452,47 grader F), for eksempel, resulterer i flere og højere spændingsspidser.

Vigtigt, synapser kan stables i tre dimensioner (3-D) for at lave store systemer, der kan bruges til computing. NIST -forskere skabte en kredsløbsmodel for at simulere, hvordan et sådant system ville fungere.

NIST -synapsens kombination af lille størrelse, superhurtige piggesignaler, lavt energibehov og 3D-stablingskapacitet kunne give midler til et langt mere komplekst neuromorft system, end det er blevet påvist med andre teknologier, ifølge papiret.