В МФТИ созданы "электронные синапсы"

Инновационная технология позволила объединить мемристоры в матрицы.

 

Группа ученых во главе с Юрием Матвеевым из Московского физико-технологического института (МФТИ) создала наноразмерные модели "электронных синапсов" для использования в новейших вычислительных системах. Они имеют некоторые свойства биологических нервных тканей. Инновационная технология позволила объединить мемристоры в матрицы. В будущем это позволит строить компьютеры, работающие по принципу биологических нейронных сетей. О разработке рассказывает веб-сайт МФТИ.

Новый материал выполнен из сверхтонких пластинок оксида гафния. Их размер не превышает 40х40 куб. нм. Полученные "электронные синапсы" способны менять свою проводимость в зависимости от характера предыдущего заряда, иными словами, они обладают памятью о своей "предыстории". Оксид гафния с успехом используется в разработке новейших компьютерных процессоров, что позволит в будущем без особых затрат внедрить новинку в производство.

"Мемристоры являются многообещающими элементами для бинарной энергонезависимой памяти, в которых информация записывается переключением электрического сопротивления – из большого в малое и обратно. Мы же пытаемся продемонстрировать более сложный функционал мемристоров – у нас они могут имитировать работу биологических синапсов", – объяснил Юрий Матвеев, старший научный сотрудник лаборатории функциональных материалов и устройств для наноэлектроники МФТИ.

Синапсы – это участки "спайки" между нейронами, благодаря которым осуществляется передача сигналов в живой нейронной сети. Каждый нейрон имеет тысячи синапсов, благодаря чему информация в мозге обрабатывается не в последовательном (как в компьютерах), а в параллельном режиме. Ученые считают, что именно в этом кроется поразительная обучаемость живых систем.

Синапсы также могут со временем менять свою способность к нервной проводимости. Установлено, что связь двух нейронов обладает какой-то определенной "проводимостью", значение которой определяется "предысторией" их общения. Более того, живые синапсы работают не только в режиме "0" или "1", но могут иметь промежуточную проводимость.

Для того чтобы имитировать работу живых синапсов, ученым было нужно реализовать непрерывный набор проводимостей. Этого удалось добиться благодаря эффекту обратимого электрического пробоя, вызываемого при помощи приложенного электрического поля.

"Окончательного понимания физических принципов работы таких мемристоров пока нет. Однако качественная модель состоит в следующем: в структуре металл – сверхтонкий оксид-металл в слое оксида под действием электрического поля образуются и перемещаются точечные дефекты – вакансии атомов кислорода. Именно эти дефекты и отвечают за обратимое изменение проводимости слоя оксида", – рассказал Серей Захарченко, один из авторов проекта.

На искусственных синапсах ученые смогли достигнуть нескольких механизмов обучения, характерных для биологических синапсов, в частности функции долговременного усиления или ослабления связи между двумя нейронами.

Кроме того, исследователям удалось смоделировать более сложный эффект – временную пластичность, которая состоит в зависимости величины связи между нейронами от относительного времени их "срабатывания".

"Мы создали минимальную матрицу наноразмерных мемристоров, воспроизводящих свойства биологических синапсов. Благодаря полученным результатам мы стали еще на шаг ближе к тому, чтобы построить искусственную нейронную сеть", – сказал заведующий лабораторией функциональных материалов и устройств для наноэлектроники МФТИ Андрей Зенкевич.

 

Источник