По образу и подобию: как развиваются нейроморфные архитектуры

С бурным развитием искусственного интеллекта множатся разработки нейроморфных архитектур. Вдохновляясь строением биологических нейронных сетей, ученые создают системы искусственных нейронов и синапсов. Рассказываем о трех новых перспективных проектах.

Адаптивные синапсы

Ученые Нижегородского государственного университета (ННГУ) разработали систему, в которую перенесли механизмы обучения и адаптации головного мозга.

В ее основу положен рукотворный аналог синапса — мемристор. Этот микроэлектронный компонент запоминает историю сигналов, что позволяет связям в электронной схеме становиться сильнее или слабее — так же, как в нервной ткани.

«Мы создали систему из двух искусственных нейронов (осцилляторов. — «Лаб. СР»), соединенных мемристором-синапсом. В ходе экспериментов второй нейрон научился подстраивать свой ритм под импульсы первого. Нам удалось зафиксировать несколько режимов такой синхронизации», — сообщил руководитель исследования Иван Кипелкин, научный сотрудник лаборатории мемристорной наноэлектроники научно-образовательного центра ННГУ «Физика твердотельных наноструктур».

Система, в которой ведомый осциллятор автоматически подстраивается под частоту ведущего, откроет новые возможности в робототехнике, распознавании образов, интеллектуальной обработке данных, а также в биомедицине — например, изготовлении нейропротезов и анализе биосигналов.

ДНК в электронике

В Университете штата Пенсильвания (США) создали биогибридный мемристор с плотностью данных как у молекулы ДНК и энергопотреблением в 100 раз меньше, чем у обычного флеш-накопителя.

ДНК считается самым плотным из известных хранилищ информации. Один грамм этой молекулы вмещает около 215 млн ГБ, при этом на хранение энергия практически не тратится. Если перенести эти свойства в электронику, центры обработки данных могут стать еще эффективнее.

Ученые собрали синтетическую ДНК из коротких химически модифицированных последовательностей и добавили наночастицы серебра, чтобы молекула проводила ток. Затем материал соединили с тонкими слоями полупроводника перовскита. Главный результат в том, что мемристор не просто хранит информацию, но и помнит направление тока после отключения питания. Это роднит его с нейронами мозга и приближает нас к нейроморфным вычислениям, при которых обработка и хранение данных происходят в одном месте.

Мемристор проверили на устойчивость. Он оставался стабильным при 121 °C и проработал при комнатной температуре больше шести недель — заметно дольше аналогов с перовскитом.

Кстати, у перовскита русские корни. Минерал, давший жизнь целому классу материалов, нашли на Урале в первой половине XIX века и назвали в честь Льва Перовского, государственного и военного деятеля, археолога и коллекционера.

Чип и нейрон

В Северо-Западном университете (США) напечатали нейроны, которые смогли «договориться» с живыми клетками мозга.

Клетки мозга гибкие, работают в трехмерной среде и постоянно перестраивают связи. Чтобы заставить искусственный нейрон заговорить с ними на одном языке, выдавать нужный сигнал, требуется подходящий материал. Мягкие дают слишком медленный отклик, твердые — слишком быстрый. Исследователи напечатали крошечные устройства на полимерной подложке, используя чернила из дисульфида молибдена и графена. Полимерную подложку, считавшуюся помехой для тока, хотели выжечь. Тут-то и выяснилось, что при частичном термическом разложении она превращается в инструмент управления. Настраивая степень разрушения полимера, ученые добились отрицательного дифференциального сопротивления — режима, при котором ток выстреливает импульсом.

Искусственные нейроны поместили в чашку Петри со срезами мозга мыши. Живые клетки синхронизировали свою активность с искусственными импульсами — ткань распознала сигнал.

Разработка открывает путь к нейроморфным компьютерам, энергоэффективным интерфейсам «мозг — компьютер» и в перспективе к восстановлению поврежденных нервных тканей. Впрочем, до клинического применения далеко. Пока искусственные нейроны взаимодействуют с биологическими лишь короткое время. Следующий шаг — соединить их искусственными синапсами в полноценную сеть.

СЛОВАРЬ

Мемристор — элемент микроэлектроники, который меняет сопротивление в зависимости от прошедшего через него заряда.

Нейроморфные структуры — электронные системы, архитектура и принципы работы которых имитируют строение и функции биологических нейронных сетей.

Синапс — место контакта двух нейронов, через которое передается нервный импульс.

Осциллятор — система, генерирующая периодические колебания. В нейроморфных схемах — искусственный нейрон, выдающий импульсы с определенной частотой.