Современные нейроморфные процессоры, производимые на основе классических КМОП-техпроцессов, сильно ограничены в возможностях имитировать мозг биологических существ. Проблема в том, что для работы каждого искусственного нейрона необходимо примерно 20 транзисторов, что ведёт к высокому потреблению энергии искусственными мозгами и к серьёзному тепловыделению. Российские учёные придумали, как решить эту проблему.
Источник изображения: Nanomaterials
«Лучшие на сегодня нейроморфные системы имитируют сети, состоящие примерно из одного миллиона нейронов и четверти миллиарда синапсов. Однако самые амбициозные биологические проекты ставят цели достичь 10 миллиардов нейронов и 100 триллионов синапсов. Стремление к такой высокой сложности требует решений на основе новых физических принципов передачи и обработки сигналов. Мы исследовали двух- и трёхпереходные сверхпроводящие квантовые интерферометры с джозефсоновскими контактами на основе золотых нанопроволок», — рассказал директор Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ Василий Столяров.
Учёные из МФТИ и МГУ им. М. В. Ломоносова предложили для реализации сверхпроводящих аналогов нейронов решение с использованием нанопроводов из золота. Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда, и завершилась она публикацией в журнале Nanomaterials.
Учёные реализовали искусственный нейрон с помощью только двух джозефсоновских контактов. Это на порядок меньше, чем при использовании транзисторов в нейроморфных процессорах. К примеру, нейроморфный процессор Intel Loihi II представляет собой 1 млн искусственных нейронов и при этом содержит 2,3 млрд транзисторов (далеко не все из них идут на имитацию нейронов, но всё же).
Джозефсоновский переход — это контакт двух сверхпроводников через слой диэлектрика. При переключении перехода происходит строго дозированный всплеск напряжения, форма которого близка к форме импульса в нейросети живого мозга. Пара таких переходов и нанопроволока из золота успешно имитируют работу одного нейрона и довольно экономично с точки зрения потребления энергии. Всё что необходимо для достижения нужного эффекта — это охладить массивы до криогенных температур вблизи абсолютного нуля.
На основе подобных нейронов можно будет создавать массивы из нескольких миллиардов искусственных нейронов и удержаться в рамках разумного бюджета потребления. Тем самым искусственный мозг может вырасти в возможностях до мозга медведя (9,5 млрд нейронов) и жирафа (10,75 млрд нейронов), тогда как возможности процессора Intel Loihi II — это мозг насекомых.
Более того, российские учёные разработали вариант искусственных нейронов, имитирующих работу в особых биологических условиях — под воздействием медикаментов или с повреждениями. Это придаст исследованиям новое направление, связанное с изучением деятельности мозга в нестандартных условиях.
Николай Клёнов, доцент МГУ им. М. В. Ломоносова, добавляет: «Предлагаемый нейрон способен имитировать биологическую активность, соответствующую типичной реакции нейрона на обычную внешнюю стимуляцию, а также на допороговое раздражение. Кроме того, он имитирует режим травмы — биофизическую аномалию, вызванную различными нервными заболеваниями и повреждениями нейронов, и взрывной режим».