Американські науковці розробили елемент, що зробить комп’ютер ще подібнішим на мозок людини. Йдеться про штучні синапси – вимикачі, які функціонують подібно до того, як і нервові сполучення в людському мозку. Адже штучні синапси змінюють свою реакцію залежно від попереднього досвіду – вони вчаться, як біологічна система. Це стало можливим завдяки магнітним нанокластерам, які можуть гнучко регулювати свій напрям.
Штучні синапси роблять апаратне забезпечення комп'ютерів таким пластичним, як наш мозок. Зображення: Andrea Danti, polygraphus/ thinkstock.
Завдяки нервовій мережі, яку розробили за зразком мозку, сьогодні комп’ютер здатний навчатися: у цій системі спеціальні алгоритми імітують функції синапсів людського мозку. Сила сполучень змінюється пережитим досвідом. Так навчання змінює мережеву структуру – щоправда, поки що лише в програмному забезпеченні. Структуру мозку в апаратному забезпеченні відтворити значно складніше.
Одним з перших успіхів нещодавно став фотонний синапс: з допомогою лазерних імпульсів він змінює свою кристалічну структуру та пристосовує свою провідність до наступних сигналів.
Тепер Майкл Шнайдер (Michael Schneider) та його колеги з Національного інституту стандартів і технологій (NIST) створили штучний синапс, що працює на основі магнітних частинок. Кожна з них – завбільшки приблизно 10 мікрометрів і подібна на трьохшаровий сендвіч: між двома шарами надпровідникового матеріалу розташований бар’єр з кремнію, в який вбудовані нанокластери з електронів мангану і ніобію.
Орієнтація магнітного нанокластера визначає, наскільки провідним і проникним є штучний синапс. Зображення: NIST.
Нанокластери поводяться як крихітні стрижневі магніти. В вихідному стані вони невпорядковані в запобіжному шарі, їхні спіни позвернуті в різних напрямах. Якщо на нанокластери впливати магнітними імпульсами – наприклад, паралельно з електричними сигналами або ззовні – їхня орієнтація змінюється: що більше імпульсів вони отримають, то впорядкованішими стають спіни нанокластера.
«Рівень порядку цих нанокластерів відповідає кількості дотику нейромедіаторів до клітинної мембрани в біологічному синапсі», – пояснили вчені.
Суть в тому: щоб штучний синапс проводив сигнал, потрібно, щоб він досягнув мінімальної сили. Лише переступивши цей поріг, магнітна частинка продукує послідовні сплески напруги. За умови частого надходження магнітних сигналів нанокластер стає сильно впорядкованим, а поріг для передачі сигналу знижується – тобто штучний синапс пристосовується.
Що інтенсивніше використовувати ці синапси, то меншим буде поріг передачі сигналу. Так можна посилити сигнальний шлях комп’ютерів, і мережа апаратного забезпечення з часом пристосується до свого досвіду.
«Так, ми отримали синоптичний елемент для нейроморфних комп’ютерів у майбутньому», – кажуть учені.
Варто зауважити: штучний синапс може загоратися значно швидше, ніж його біологічний відповідник. Якщо нервові сполучення можуть передавати приблизно 50 сигналів за секунду, розроблений магнітний елемент нанокластера загорається приблизно мільярд разів за секунду, повідомили вчені. Водночас, порівняно з біологічним синапсом, він потребує лише десятитисячної частки енергії. «Дотепер ми не знаємо жодного іншого штучного синапсу, який би потребував так мало енергії», – сказав Шнайдер.
Застосувати такі магнітні синапси можна, зокрема, в майбутніх комп’ютерах, які для опрацювання та збереження даних використовуватимуть надпровідникові елементи і магнітні сигнали. Науковці пояснюють: якщо нові штучні синапси в комп’ютері без проблем впорядковуватимуть, це уможливить навіть складні нейроморфні структури.
Künstliche Synapse fürs Maschinenhirn
National Institute of Standards and Technology (NIST), 30/01/2018
Зреферувала Соломія Кривенко
04.02.2018