Дослідники з Університету Фудань (КНР) представили унікальний пристрій, який поєднує надтонкий напівпровідниковий моношар дисульфіду молібдену (MoS₂) з динамічною пам’яттю з довільним доступом (DRAM). Такий підхід дозволив максимально точно імітувати поведінку нейронів головного мозку людини, відкриваючи нові можливості для розвитку енергоефективних систем штучного інтелекту.
Про це розповідає ProIT
Нейроморфна архітектура та синаптична пластичність
Зі зростанням потреб штучного інтелекту та систем машинного навчання зростає й попит на спеціалізовані апаратні рішення, які здатні пришвидшити аналіз даних і скоротити споживання енергії. Нейроморфна апаратна архітектура, що імітує роботу нейронних мереж мозку, зазвичай включає штучні нейрони з можливістю змінювати силу зв’язків, що нагадує синаптичну пластичність — здатність мозку адаптуватися до нового досвіду й навчання. Завдяки цьому такі системи ефективніше виконують алгоритми машинного навчання та обробляють більші обсяги інформації з меншими витратами енергії.
Згідно з дослідженням, пристрій китайських науковців поєднує DRAM з мікросхемами на основі MoS₂, завдяки чому стало можливим точно відтворити різноманітну поведінку нейронів. Провідні автори проєкту — Інь Вань, Сайфей Гоу та їхні колеги — переконані, що така технологія стане основою для створення передових систем штучного інтелекту.
Конструкція та функціонування штучного нейрона
Розроблений нейрон складається з DRAM, яка може зберігати електричні заряди у конденсаторах. Величина заряду змінюється, що імітує електричні процеси в біологічних нейронах і визначає їхню активацію. Додатково використовується інвертор — електронна схема, яка перетворює сигнали високої напруги на низьковольтні та навпаки. Це дає змогу штучному нейрону генерувати імпульси, аналогічні тим, які виникають у природних нейронах під час передачі сигналу.
“Апаратне забезпечення, що включає синаптичну пластичність — адаптивні зміни, що посилюють або послаблюють синаптичні зв’язки — вже досліджувалося, але імітація всього спектра процесів навчання та пам’яті потребує взаємодії безлічі механізмів пластичності, включаючи внутрішню пластичність. Ми показуємо, що нейрон, що працює за принципом інтеграції та активації, може бути створений шляхом поєднання динамічної пам’яті з довільним доступом та інвертора на основі моношару дисульфідних плівок у масштабі пластини”, — пояснюють дослідники.
Вчені зазначають, що напруга у конденсаторі DRAM — потенціал мембрани нейрона — може гнучко модулюватися, відтворюючи внутрішню пластичність. Модуль також імітує фотопічну й скотопічну адаптацію зорової системи людини, тобто здатен реагувати на зміни рівня освітлення та регулювати світлочутливість.
Для перевірки ефективності створеного штучного нейрона дослідники виготовили низку зразків і сформували масив 3×3. Таку мережу протестували на здатність адаптувати реакції до змін освітлення, що імітує адаптацію зорової системи людини до різних умов. Випробування показали, що штучний нейрон успішно застосовується у комп’ютерному зорі та розпізнаванні зображень, споживаючи значно менше енергії порівняно з традиційними методами.
Результати дослідження опубліковані у журналі Nature Electronics.