Ученые компании IBM создали искусственные нейроны, работающие на основе эффекта фазовых переходов

Ученые из исследовательского подразделения компании IBM в Цюрихе, используя специализированные энергоемкие материалы, создали искусственные нейроны, работа которых максимально приближена к работе обычных нейронов головного мозга. Эти искусственные нейроны, использующие эффект фазовых переходов их материала, могут стать основой нейроморфных вычислительных систем, которые с максимальной энергетической эффективностью смогут решать сложные задачи, связанные с функционированием искусственного интеллекта, самообучением и обработкой в реальном времени больших объемов разнообразных данных.

Основой новых искусственных нейронов является теллурид сурьмы-германия, материал, обычно используемый при изготовлении перезаписываемых дисков Blu-ray. Этот материал, как и другие подобные материалы, может находиться в одном из двух стабильных состояний, в аморфном (без определенной структуры) и в кристаллическом (с упорядоченной структурой кристаллической решетки). Однако, эти нейроны не хранят информацию в цифровом виде, как другие аналоги нейронов, созданные на базе традиционных электронных компонентов, транзисторов. Они, как и нейроны головного мозга, хранят информацию в аналоговом виде, в виде значения электрического сопротивления их активной части.

Подав на искусственный нейрон серию электрических импульсов, ученые заставили материал перейти в кристаллическое состояние, что привело к формированию аналога нервного импульса, вырабатываемого обычными нейронами. А множество искусственных нейронов, объединенные в соответствующие цепи, могут использоваться для распознавания образов или обнаружения в реальном времени корреляции множества независимых потоков данных, к примеру, потоков от различных метеорологических датчиков, находящихся в различных местах земного шара и связанных друг с другом посредством Интернета. Также цепи из искусственных нейронов могут быть использованы для поиска корреляции в потоках данных совершенно различных типов, к примеру, в потоке данных финансовых операций и потоке данных, черпаемых из социальных сетей.

Исследователи компании IBM создали экспериментальный чип, на кристалле которого находились сотни искусственных нейронов, которые можно было запрограммировать для выполнения быстрой обработки сложных сигналов. Эти нейроны выдержали без потери своей функциональности миллиарды циклов переключения и формирования импульсов, чего достаточно для непрерывной работы в нормальных условиях в течение нескольких лет при частоте обновления 100 Гц. Энергия, необходимая для переключения состояния одного искусственного нейрона, составляет менее 5 пикоджоулей, что соответствует мощности в 120 микроватт и что в десятки миллионов раз меньше мощности, потребляемой обычной лампочкой накаливания.

«Такие нейроны на основе эффекта фазового перехода, объединенные с другими наноразмерными вычислительными компонентами, такими как искусственные синапсы, могут стать ключевыми компонентами будущих компактных, эффективных и мощных нейроморфных процессоров» — рассказывает Томас Тума (Tomas Tuma), — «А эти процессоры, в свою очередь, станут основой вычислительных систем, способных очень быстро решать задачи, которые не по силам даже самым мощным современным компьютерам и с которыми сейчас может справиться только мозг человека».