Российские учёные создали «электронные синапсы» для нейроморфных процессоров

Исследователи из Московского физико-технического института (МФТИ) создали прототипы наноразмерных «электронных синапсов» на основе сверхтонких плёнок оксида гафния. Достижение в перспективе может привести к появлению принципиально новых вычислительных систем.

Группа учёных из МФТИ изготовила мемристоры на основе тонкоплёночного оксида гафния размером всего 40 × 40 нм. При этом созданные наноустройства проявляют свойства, аналогичные биологическим синапсам. С помощью разработанной технологии мемристоры были объединены в матрицы: в перспективе это позволит создавать компьютеры, работающие на принципах биологических нейронных сетей.

Синапс — это место соединения нейронов, основная функция которого — передача сигнала (так называемого «спайка», или сигнала определённого вида) от одного нейрона к другому. Каждый нейрон может иметь тысячи синапсов, то есть связываться с огромным числом других нейронов. Это позволяет обрабатывать информацию не в последовательном (как делают современные компьютеры), а в параллельном режиме. Именно в этом, по мнению специалистов, кроется причина столь фантастической эффективности «живых» нейронных сетей.

Синапсы могут со временем изменять свой «вес», то есть способность передавать сигнал. Это свойство является ключом к пониманию функции памяти и обучаемости мозга. Как и у биологического синапса, величина электрической проводимости мемристора является итогом всей его предыдущей «жизни» — от самого момента изготовления.

Есть несколько физических эффектов, на основе которых можно создавать мемристоры. Российские исследователи использовали устройства на основе тонкоплёночного оксида гафния, в которых наблюдается эффект обратимого электрического пробоя под действием приложенного электрического поля. Чаще всего в таких устройствах используют только два разных состояния, кодирующих логические ноль и единицу. Однако для имитации биологических синапсов необходимо было реализовать непрерывный набор проводимостей в изготовленных устройствах.

На созданных «аналоговых» мемристорах учёные смоделировали несколько механизмов обучения («пластичность») биологических синапсов. В частности, речь идёт о таких функциях, как долговременное усиление или ослабление связи между двумя нейронами. Общепринято, что именно эти явления лежат в основе механизмов памяти.

Изменение проводимости мемристоров в зависимости от временного расстояния между «спайками» (справа) и изменение потенциала на биологических синапсах (слева) / МФТИ.

Кроме того, специалистам удалось продемонстрировать более сложный механизм — так называемую временную пластичность («spike-timing-dependent plasticity»), то есть зависимость величины связи между нейронами от относительного времени их «срабатывания». Ранее было показано, что именно этот механизм отвечает за ассоциативное обучение — способности мозга находить связи между разными событиями.

При этом для демонстрации такой функции в своих мемристорных устройствах авторы специально использовали электрические сигналы, подаваемые на электроды мемристоров, по форме воспроизводящие сигналы в живых нейронах, и получили зависимость, очень похожую на те, которые наблюдаются в живых синапсах.

Таким образом, как утверждается, созданные элементы можно рассматривать как прототип «электронного синапса», на основе которого можно создавать искусственные нейронные сети «в железе».

Источник: https://mipt.ru/