Незважаючи на розвиток технологій, людський мозок залишається кращим за комп’ютер у кількох аспектах. У той час як комп’ютери можуть виконувати математичні обчислення швидше, ніж люди, людський мозок здатний обробляти складну сенсорну інформацію та легко адаптуватися до нового досвіду. Ця здатність досі недосяжна для комп’ютерів, і людський мозок виконує це завдання, споживаючи лише частку енергії, необхідної ноутбуку.
Структура мозку значною мірою сприяє його енергоефективності. На відміну від комп’ютерів, де пам’ять і обробка є окремими об’єктами, а інформацію потрібно передавати між ними, нейрони та синапси в мозку здатні зберігати й обробляти інформацію одночасно. Це усуває необхідність постійного транспортування даних, що може спричинити уповільнення роботи комп’ютерів при роботі з великими обсягами інформації.
Одним із можливих рішень цього вузького місця є нові комп’ютерні архітектури, створені за моделлю людського мозку. З цією метою вчені розробляють так звані мемристори: компоненти, які, як і клітини мозку, поєднують зберігання та обробку даних.
Команда дослідників з Empa, ETH Zurich і «Politecnico di Milano» розробила мемристор, який є потужнішим і простішим у виготовленні, ніж його попередники. Дослідники нещодавно опублікували свої результати в журналі Science Advances.
Ефективність завдяки змішаній іонній та електронній провідності
Нові мемристори засновані на нанокристалах галоїдного перовськіту, напівпровідникового матеріалу, відомого у виробництві сонячних елементів. «Галоїдні перовськіти проводять як іони, так і електрони», — пояснює Рохіт Джон, колишній співробітник ETH і докторант ETH Zurich та Empa. «Ця подвійна провідність дозволяє виконувати більш складні обчислення, які дуже нагадують процеси в мозку».
Дослідники повністю провели експериментальну частину дослідження в Empa: вони виготовили тонкоплівкові мемристори в лабораторії Thin Films and Photovoltaics і дослідили їхні фізичні властивості в лабораторії Transport at Nanoscale Interfaces. На основі результатів вимірювань вони потім змоделювали складне обчислювальне завдання, яке відповідає процесу навчання в зоровій корі головного мозку. Завдання передбачало визначення орієнтації світла на основі сигналів від сітківки.
«Наскільки нам відомо, це лише другий випадок, коли подібні обчислення проводяться на мемристорах», — говорить Максим Коваленко, професор ETH Zurich та керівник дослідницької групи функціональних неорганічних матеріалів у Empa. «У той же час наші мемристори набагато легше виробляти, ніж раніше».
Це тому, що, на відміну від багатьох інших напівпровідників, перовськіти кристалізуються при низьких температурах. Крім того, нові мемристори не вимагають складної попередньої підготовки через застосування певних напруг, які необхідні порівнянним пристроям для таких обчислювальних завдань. Це робить їх швидшими та енергоефективними.
Доповнює, а не замінює
Однак технологія ще не повністю готова до впровадження. Легкість, з якою можна виготовити нові мемристори, також ускладнює їх інтеграцію з що існує комп’ютерними чіпами: перовськіти не можуть витримувати температури від 400 до 500 градусів за Цельсієм, необхідні для обробки кремнію – принаймні поки. Але, за словами Даніеле Іелміні, професора «Politecnico di Milano», ця інтеграція є ключем до успіху нових комп’ютерних технологій, схожих на розум.