Искусственными синапсами управляет свет

В сравнении с рукотворными системами обработки информации мозг обладает выдающейся энергоэффективностью, поскольку потребляет всего десятки ватт энергии. Не в последнюю очередь это достигается импульсной передачей данных, а также объединением их обработки и хранения. Ученые активно ищут неживые аналоги структурных единиц мозга, чтобы смоделировать его работу на нейроморфных компьютерах.

Такие системы могут стать технологическим прорывом для искусственного интеллекта (ИИ), который пока развивается на компьютерах традиционной архитектуры. Они потребляют много энергии и, по-видимому, уже достигли своих пределов в скорости обработки данных. Задачи ИИ требуют непрерывного доступа к памяти, но это невозможно из-за разделения оперативной памяти и центрального процессора.

Сотрудники лаборатории нейроморфной фотоники под руководством профессора физического факультета МГУ Андрея Анатольевича Федянина в сотрудничестве с химиками и нейробиологами показали, как пленки оксида цинка смогут стать основой нейроморфных компьютеров. Фотопроводимость этих наноструктур дает импульсный отклик на облучение и напоминает поведение синапсов.

Ученые доказали экспериментально, что оптоэлектронные синапсы обладают кратковременной и долговременной памятью, что важно при решения многих когнитивных задач. Первая дает возможность реализовать непрерывное обучение и адаптацию к изменяющимся условиям, а также повышать производительность ИИ с течением времени. Вторая позволит применять структуры для хранения и воспроизведения информации.

По мнению профессора Федянина, самым примечательным результатом работы оказалась связь частоты импульсов в наноструктурах и частоты светового сигнала. Это качество, характерное для биологических нейронов, позволяет искусственному синапсу настраивать свою реакцию. Другое интересное свойство пленок состоит в том, что второй импульс вызывает более сильный ответ, чем первый — точно так же, как и у живых нейронов.

Адаптивный оптоэлектронный элемент на пленке оксида цинка способен воспроизводить базовые характеристики синапса. Так что кандидат для будущих нейроморфных чипов и сенсорных систем у нас есть! Ученые надеются, что нанопленки позволят создать нейроморфные оптоэлектронные системы нового поколения с малым энергопотреблением и адаптивностью человеческого мозга. Результаты исследования опубликованы в журнале Opto-Electronic Science и вынесены на его обложку.