Розроблено новий пристрій на базі мемрістора

Відсутність електронного пристрою, здатного працювати в точності як нейрон головного мозку, є причиною, що не дає поки що інженерам і вченим створити повноцінний нейроморфний комп’ютер, що володіє високою ефективністю і обчислювальної гнучкістю, якими володіє найдосконаліший біологічний комп’ютер природного походження — головний мозок. Таке електронний пристрій, електронний аналог нейрона, повинно бути достатньо складним, адже його «поведінка» має бути набагато складніше поведінка будь-якого з існуючих базових електронних пристроїв.

Не так давно дослідники з лабораторії компанії Hewlett Packard, Техаського університету A & M і Стенфордського університету винайшли пристрій, що відповідає всім вимогам, що пред’являються до електронного аналогу нейрона. Вхідним сигналом для цього пристрою є постійна напруга різної амплітуди, в залежності від якої пристрій може виробити пачки імпульсних сигналів, входити в стійкий автоколебательний процес, фіксувати поточний стан і зробити багато іншого, що є електронним аналогом нейронної діяльності.

До складу структури нового електронного нейтрона входить резистор, конденсатор і так званий мемристор Мотта. Нагадаємо, що мемрістор називають пристрої, які мають пам’ять величини протікав через них струму у вигляді власного електричного опору. У мемристоров Мотта є одна особливість — їх опором можна управляти не тільки величиною струму, що протікає, а й температурою. Матеріал в переході мемрістора Мотта переходить з ізолюючого в провідний стан і навпаки під впливом температури. Цей ефект був помічений ще в 1960-х роках, але лише недавно люди навчилися використовувати його в нанорозмірних пристроях.

Перехід мемрістора складається з кристала оксиду ніобію, який при подачі напруги нагрівається і переходить в провідний стан. Коли відбувається таке перемикання, то через низкоомную ланцюг мемрістора розряджається накопичений в конденсаторі заряд, після чого пристрій охолоджується і мемристор повертається в непроводящее стан. В результаті цієї послідовності виробляється імпульс струму, що нагадує сигнал, що виробляється нейроном.

Проведені дослідження поведінки «електронного нейрона» показали, що існують області так званого хаотичного поведінки і області стабільного стану нейрона, які залежать від величини прикладається потенціалу та інших параметрів пристрою. Саме краю деяких хаотичних регіонів представляють собою інтерес, адже поведінка пристрою в цих регіонах максимально точно копіює поведінку біологічного нейрона при певних умовах.

За допомогою однакових пристроїв дослідники створили імпульсні версії аналогових логічних елементів І-НЕ, НЕ та інших, які є базовими блоками будь-якої електронної логічної схеми. Єдиним мінусом всього цього є те, що для кожного «електронного нейрона» поки ще потрібно своя власна аналогова схема, що оптимізує режим роботи цього пристрою.

Ученим належить виконати ще масу роботи, перш ніж їх винахід може перетворитися в практичну річ. Основна проблема полягає в тому, що температура фазового переходу оксиду ніобію (NbO2) становить близько 800 градусів. З урахуванням особливостей структури нового пристрою, така температура і мемрісторний ефект виникають в дуже тонкому шарі матеріалу, в декількох нанометрів. Але, якщо на кристалі чіпа будуть мільйони і мільярди подібних пристроїв, то велика кількість тепла, що виділяється може стати величезною проблемою. Тому вчені планують, в першу чергу, знайти заміну оксиду ніобію, матеріал, що забезпечує роботу мемристоров Мотта, при функціонуванні яких температура кристала буде знаходитися в прийнятному діапазоні від 60 до 100 градусів. Джерело