Инженеры разместили десятки тысяч искусственных синапсов мозга на одном чипе
Инженеры MIT создали «мозг-на-чипе» размером меньше конфетти, состоящий из десятков тысяч искусственных синапсов мозга — мемристоров. Эти кремниевые компоненты имитируют передающие информацию синапсы человеческого мозга.
Исследователи использовали принципы металлургии, чтобы изготовить каждый мемристор из сплавов серебра и меди вместе с кремнием. При тестировании чипа на визуальных задачах он смог «запомнить» сохранённые изображения и воспроизводить их многократно в более чётком и чистом виде по сравнению с существующими конструкциями мемристоров из чистых элементов.
Результаты, опубликованные в журнале Nature Nanotechnology, демонстрируют перспективный новый дизайн мемристора для нейроморфных устройств — электроники на основе схем, обрабатывающих информацию подобно нейронной архитектуре мозга. Такие вдохновлённые мозгом схемы можно встроить в небольшие портативные устройства для выполнения сложных вычислительных задач, подвластных сегодня лишь суперкомпьютерам.
Блуждающие ионы
Мемристоры, или транзисторы памяти, — ключевой элемент нейроморфных вычислений. В таком устройстве мемристор работает как транзистор в схеме, но его принцип действия ближе к мозговому синапсу. В отличие от бинарного транзистора (0 или 1), мемристор работает по градиенту: его выходной сигнал варьируется в зависимости от силы входного сигнала, что позволяет иметь множество значений. Как и синапс, мемристор может «запомнить» значение, связанное с данной силой тока, и воспроизвести тот же сигнал в будущем.
Однако существующие конструкции мемристоров ненадёжны при генерации тонких сигналов через тонкие каналы проводимости. Ионы в таком потоке стремятся «блуждать» и рассеиваться в среде, что мешает принимающему электроду надёжно захватывать одинаковое количество ионов.
Заимствование из металлургии
Команда обошла это ограничение, применив метод из металлургии — легирование (добавление примесей для изменения свойств материала).
Они выбрали медь в качестве легирующего элемента для серебра, поскольку она способна связываться как с серебром, так и с кремнием, стабилизируя границу раздела серебро-кремний и контролируя движение ионов.
Для создания мемристоров по новой технологии:
- Изготовили отрицательный электрод из кремния.
- Нанесли на положительный электрод небольшое количество меди, а затем слой серебра.
- Разместили оба электрода вокруг среды из аморфного кремния.
- Нанесли на кремниевый чип площадью 1 мм² десятки тысяч таких мемристоров.
В тестах чип успешно воспроизвёл в оттенках серого изображение щита Капитана Америка, сопоставив каждый пиксель с соответствующим мемристором, и многократно его «запоминал». Чип также надёжно выполнял задачи обработки изображений (например, повышение резкости и размытие снимка территории MIT Killian Court), превзойдя существующие аналоги.
Цель дальнейшей работы — создание масштабных массивов для задач распознавания образов в портативных устройствах с искусственным интеллектом, работающих автономно в реальном времени без подключения к суперкомпьютерам или облаку.