Створено компактний нейрон у вигляді найпростішого електронного пристрою

Новий винахід групи американських вчених обіцяє наблизити створення фактичної електронної копії мозку людини з усіма його основними обчислювальними і комунікаційними елементами — нейронами і синапсами. І все це не в габаритах сотень серверних стійок, а у відносно компактному вигляді, що для прогресу в обчислювальній техніці обіцяє багато цікавого і проривного.

До прориву підійшла група дослідників під керівництвом Стенлі Вільямса (R.Stanley Williams) з Texas A&M, який разом зі співробітником Hewlett Packard Laboratories Сухас Кумаром (Suhas Kumar) і студентом Стенфордського університету Зівеном Воном (Ziwen Wang) представили найпростіше електронний пристрій, що діє як нейрон живого мозку людини. До цього штучні нейрони представлялися не раз і не два, але кожен раз цей ключовий елемент мозку виконувався у вигляді досить великої і складної схеми з декількох складових, а це означає великі розміри і немаленьке споживання енергії.

Група Стенлі Вільямса розробила і створила штучний нейрон на базі так званих моттовскіх діелектриків (переходів). Моттовскіе діелектрики в звичайних умовах поводяться як ізолятори і не пропускають електричний струм, але під дією температури, напруги, магнітного поля або іншого впливу тимчасово стають провідниками.

Запропонований вченими найпростіший елемент містить моттовскій перехід у вигляді нанометрового шару оксиду ніобію (NbO2). Крім нього елемент включає ємність і опір, як частина електронного «нейрона». Додамо, шар оксиду ніобію по суті поводиться як мемристор — кероване струмом і напругою опір з ефектом пам’яті. Це робить штучний нейрон частково незалежним пристроєм. Нерозумно було б витрачати енергію в ті моменти, коли пристрій не встановлюватиме «думати».

Під дією напруги з постійним струмом відбувається локальне нагрівання шару оксиду ніобію, що робить перехід проводять. Це розряджає накопичений в ємності елемента заряд, після чого перехід остигає і знову стає ізолятором. Ємність в елементі знову заряджається і так до нескінченності, поки подається керуюча напруга. Тонкість тут в тому, що цей найпростіший елемент може працювати в різних режимах, подібно живому нейрона: передавати імпульс (спайк, сигнал збудження) по ланцюжку нейронів, видавати серію імпульсів, підтримувати автогенерація імпульсів і виконувати іншу роботу, яку зазвичай робить нейрон в живому мозку .

Деякою проблемою для масштабування запропонованої конструкції електронного нейрона може виявитися досить висока температура перетворення моттовского переходу з оксиду ніобію в провідник. Він стає таким при нагріванні до 800° C. У складі багатьох тисяч і мільйонів елементів це може стати проблемою, тому вчені будуть шукати інші сполуки для свого елемента із значно меншою температурою впливу.