Forskere identificerer nøglemekanismer, nye materialer til biologisk inspireret informationsbehandling

Hver søgemaskineforespørgsel, hver AI-genereret tekst og udviklinger såsom autonom kørsel:I en tidsalder med kunstig intelligens (AI) og big data bruger computere og datacentre meget energi. Derimod er den menneskelige hjerne langt mere energieffektiv. For at udvikle mere kraftfulde og energibesparende computere inspireret af hjernen har et forskerhold fra Materials Science and Electrical Engineering ved Kiel University (CAU) nu identificeret grundlæggende krav til passende hardware.

Forskerne har udviklet materialer, der opfører sig dynamisk på samme måde som biologiske nervesystemer. Deres resultater er blevet offentliggjort i tidsskriftet Materials Today og kunne føre til en ny type informationsbehandling i elektroniske systemer.

Behandling af oplysninger dynamisk i stedet for serielt

"Computere behandler information serielt, hvorimod vores hjerne behandler information parallelt og dynamisk. Dette er meget hurtigere og bruger mindre energi, for eksempel ved mønstergenkendelse," siger prof. Dr. Hermann Kohlstedt, professor i nanoelektronik og talsmand for Collaborative Research Center 1461 Neurotronik ved Kiel Universitet.

Forskerne vil bruge naturen som inspirationskilde til nye elektroniske komponenter og computerarkitekturer. I modsætning til konventionelle computerchips, transistorer og processorer er de designet til at behandle signaler på samme måde som det konstant skiftende netværk af neuroner og synapser i vores hjerne.

"Men computere er stadig baseret på siliciumteknologi. Selvom der har været imponerende fremskridt inden for hardware med hensyn til xy, forbliver netværk af neuroner og synapser uovertrufne med hensyn til tilslutning og robusthed," siger Dr. Alexander Vahl, en materialeforsker. Forskning i nye materialer og processer er nødvendig for at kunne kortlægge dynamikken i biologisk informationsbehandling.

Forskerholdet fokuserede derfor på at udvikle materialer, der opfører sig dynamisk på samme måde som tredimensionelle biologiske nervesystemer. "Dynamisk" skabes her ved, at arrangementet af atomer og partikler i materialerne kan ændre sig. Til dette formål har forskerne identificeret syv grundlæggende principper, som computerhardware skal opfylde for at fungere på samme måde som hjernen.

Disse omfatter for eksempel en vis grad af foranderlighed:Hjernens såkaldte plasticitet er et krav for indlærings- eller hukommelsesprocesser. De materialer, som forskerne udviklede som svar på dette, opfylder flere af disse grundlæggende principper. Det "ultimative" materiale, der opfylder alt, eksisterer dog ikke endnu.

Ud over klassisk siliciumteknologi

"Når vi kombinerer disse materialer med hinanden eller med andre materialer, åbner vi muligheder for computere, der går ud over traditionel siliciumteknologi," siger prof. Dr. Rainer Adelung, professor i funktionelle nanomaterialer. "Industrien og samfundet har brug for mere og mere computerkraft, men strategier som miniaturisering af elektronik når nu deres tekniske grænser i standardcomputere. Med vores undersøgelse ønsker vi at åbne nye horisonter."

Som et eksempel beskriver Maik-Ivo Terasa, en doktorgradsforsker i materialevidenskab og en af ​​undersøgelsens første forfattere, den usædvanlige opførsel af de specielle granulære netværk udviklet af forskerholdet. "Hvis vi producerer sølv-guld nanopartikler på en bestemt måde og anvender et elektrisk signal, viser de særlige egenskaber. De er kendetegnet ved en balance mellem stabilitet og en hurtig ændring i deres ledningsevne." På lignende måde fungerer hjernen bedst, når der er balance mellem plasticitet og stabilitet, kendt som kritikalitet.

I tre yderligere eksperimenter viste forskerne, at både zinkoxid-nanopartikler og elektrokemisk dannede metalfilamenter kan bruges til at ændre netværksvejene via oscillatorernes elektriske input. Da forskerholdet koblede disse kredsløb, synkroniserede deres elektriske signalafbøjninger over tid. Noget lignende sker under bevidst sensorisk perception med de elektriske impulser, der udveksler information mellem neuroner.

Flere oplysninger: Maik-Ivo Terasa et al., Veje mod virkelig hjernelignende computerprimitiver, Materials Today (2023). DOI:10.1016/j.mattod.2023.07.019

Journaloplysninger: Materialer i dag

Leveret af Kiel University