Ingeniører sætter titusindvis af kunstige hjernesynapser på en enkelt chip

MIT-ingeniører har designet en "hjerne-på-en-chip, "mindre end et stykke konfetti, der er lavet af titusindvis af kunstige hjernesynapser kendt som memristorer - siliciumbaserede komponenter, der efterligner de informationstransmitterende synapser i den menneskelige hjerne.

Forskerne lånte fra metallurgiens principper for at fremstille hver memristor af legeringer af sølv og kobber, sammen med silicium. Da de kørte chippen gennem flere visuelle opgaver, chippen var i stand til at "huske" lagrede billeder og gengive dem mange gange, i versioner, der var sprødere og renere sammenlignet med eksisterende memristor-design lavet med ulegerede elementer.

Deres resultater, offentliggjort i dag i tidsskriftet Natur nanoteknologi , demonstrere et lovende nyt memristordesign til neuromorfe enheder - elektronik, der er baseret på en ny type kredsløb, der behandler information på en måde, der efterligner hjernens neurale arkitektur. Sådanne hjerne-inspirerede kredsløb kunne indbygges i små, bærbare enheder, og ville udføre komplekse beregningsopgaver, som kun nutidens supercomputere kan klare.

"Indtil nu, kunstige synaps-netværk eksisterer som software. Vi forsøger at bygge ægte neural netværkshardware til bærbare kunstige intelligenssystemer, " siger Jeehwan Kim, lektor i maskinteknik ved MIT. "Forestil dig at forbinde en neuromorf enhed til et kamera på din bil, og få den til at genkende lys og genstande og træffe en beslutning med det samme, uden at skulle oprette forbindelse til internettet. Vi håber at bruge energieffektive memristorer til at udføre disse opgaver på stedet, i realtid."

Vandrende ioner

Memristors, eller hukommelsestransistorer, er et væsentligt element i neuromorfisk databehandling. I en neuromorf enhed, en memristor ville tjene som transistoren i et kredsløb, selvom dens funktion ville ligne en hjernesynapse - forbindelsen mellem to neuroner. Synapsen modtager signaler fra én neuron, i form af ioner, og sender et tilsvarende signal til den næste neuron.

En transistor i et konventionelt kredsløb transmitterer information ved at skifte mellem en af ​​kun to værdier, 0 og 1, og gør det kun, når signalet det modtager, i form af en elektrisk strøm, er af en særlig styrke. I modsætning, en memristor ville arbejde langs en gradient, meget som en synapse i hjernen. Signalet, det producerer, vil variere afhængigt af styrken af ​​det signal, det modtager. Dette ville gøre det muligt for en enkelt memristor at have mange værdier, og udfører derfor et langt bredere spektrum af operationer end binære transistorer.

Som en hjernesynapse, en memristor ville også være i stand til at "huske" værdien forbundet med en given strømstyrke, og producere nøjagtig det samme signal næste gang den modtager en lignende strøm. Dette kunne sikre, at svaret på en kompleks ligning, eller den visuelle klassificering af et objekt, er pålidelig - en bedrift, der normalt involverer flere transistorer og kondensatorer.

Ultimativt, Forskere forestiller sig, at memristorer ville kræve langt mindre chipfast ejendom end konventionelle transistorer, muliggør kraftfuld, bærbare computerenheder, der ikke er afhængige af supercomputere, eller endda forbindelser til internettet.

Eksisterende memristor design, imidlertid, er begrænset i deres ydeevne. En enkelt memristor er lavet af en positiv og negativ elektrode, adskilt af et "skiftemedium, " eller mellemrum mellem elektroderne. Når der påføres en spænding til en elektrode, ioner fra den elektrode strømmer gennem mediet, danner en "ledningskanal" til den anden elektrode. De modtagne ioner udgør det elektriske signal, som memristoren sender gennem kredsløbet. Størrelsen af ​​ionkanalen (og det signal, som memristoren i sidste ende producerer) bør være proportional med styrken af ​​den stimulerende spænding.

Kim siger, at eksisterende memristor-design fungerer ret godt i tilfælde, hvor spænding stimulerer en stor ledningskanal, eller en kraftig strøm af ioner fra den ene elektrode til den anden. Men disse designs er mindre pålidelige, når memristorer skal generere mere subtile signaler, via tyndere ledningskanaler.

Jo tyndere en ledningskanal, og jo lettere strømningen af ​​ioner er fra den ene elektrode til den anden, jo sværere er det for individuelle ioner at blive sammen. I stedet, de har en tendens til at vandre fra gruppen, opløses i mediet. Som resultat, det er svært for den modtagende elektrode pålideligt at fange det samme antal ioner, og sender derfor det samme signal, når den stimuleres med et vist lavt strømområde.

Lån fra metallurgi

Kim og hans kolleger fandt en vej rundt om denne begrænsning ved at låne en teknik fra metallurgien, videnskaben om at sammensmelte metaller til legeringer og studere deres kombinerede egenskaber.

"Traditionelt metallurger forsøger at tilføje forskellige atomer til en bulk matrix for at styrke materialer, og vi tænkte, hvorfor ikke justere de atomare interaktioner i vores memristor, og tilføje nogle legeringselementer for at kontrollere bevægelsen af ​​ioner i vores medium, " siger Kim.

Ingeniører bruger typisk sølv som materiale til en memristors positive elektrode. Kims team kiggede gennem litteraturen for at finde et element, som de kunne kombinere med sølv for effektivt at holde sølvioner sammen, mens de lader dem flyde hurtigt igennem til den anden elektrode.

Holdet landede på kobber som det ideelle legeringselement, da den kan binde begge med sølv, og med silicium.

"Det fungerer som en slags bro, og stabiliserer sølv-silicium-grænsefladen, " siger Kim.

For at lave memristorer ved hjælp af deres nye legering, gruppen fremstillede først en negativ elektrode af silicium, lavede derefter en positiv elektrode ved at afsætte en lille mængde kobber, efterfulgt af et lag sølv. De klemte de to elektroder omkring et amorft siliciummedium. På denne måde de mønstrede en millimeter-firkantet siliciumchip med titusindvis af memristorer.

Som en første test af chippen, de genskabte et billede i gråskala af Captain America-skjoldet. De sidestillede hver pixel i billedet med en tilsvarende memristor i chippen. De modulerede derefter konduktansen af ​​hver memristor, der var relativ i styrke til farven i den tilsvarende pixel.

Chippen producerede det samme skarpe billede af skjoldet, og var i stand til at "huske" billedet og gengive det mange gange, sammenlignet med chips lavet af andre materialer.

Holdet kørte også chippen gennem en billedbehandlingsopgave, programmering af memristorerne til at ændre et billede, i denne sag om MIT's Killian Court, på flere specifikke måder, inklusive skarphed og sløring af det originale billede. Igen, deres design producerede de omprogrammerede billeder mere pålideligt end eksisterende memristor-designs.

"Vi bruger kunstige synapser til at lave rigtige inferenstest, " siger Kim. "Vi vil gerne udvikle denne teknologi yderligere for at have større arrays til at udføre billedgenkendelsesopgaver. Og en dag, du kan måske bære rundt på kunstige hjerner for at udføre denne slags opgaver, uden at oprette forbindelse til supercomputere, internettet, eller skyen."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.