Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben een supergeleidende schakelaar gebouwd die "leert" als een biologisch systeem en processors kan verbinden en herinneringen kan opslaan in toekomstige computers die werken als het menselijk brein.

De NIST-schakelaar, beschreven in wetenschappelijke vooruitgang , wordt een synaps genoemd, net als zijn biologische tegenhanger, en het levert een ontbrekend stuk voor zogenaamde neuromorfe computers. Beschouwd als een nieuw type kunstmatige intelligentie, dergelijke computers zouden de perceptie en besluitvorming kunnen stimuleren voor toepassingen zoals zelfrijdende auto's en kankerdiagnose.

Een synaps is een verbinding of schakelaar tussen twee hersencellen. De kunstmatige synaps van NIST - een gedrongen metalen cilinder met een diameter van 10 micrometer - lijkt op het echte werk, omdat het inkomende elektrische pieken kan verwerken om spiking-uitgangssignalen aan te passen. Deze verwerking is gebaseerd op een flexibel intern ontwerp dat kan worden afgestemd op ervaring of zijn omgeving. Hoe meer vuren tussen cellen of processors, hoe sterker de verbinding. Zowel de echte als de kunstmatige synapsen kunnen dus oude circuits in stand houden en nieuwe creëren. Zelfs beter dan het echte werk, de NIST-synaps kan veel sneller vuren dan het menselijk brein - 1 miljard keer per seconde, vergeleken met een hersencel 50 keer per seconde - met slechts een vleugje energie, ongeveer een tienduizendste zoveel als een menselijke synaps. In technische termen, de piekenergie is minder dan 1 attojoule, lager dan de achtergrondenergie bij kamertemperatuur en vergelijkbaar met de chemische energie die twee atomen in een molecuul bindt.

"De NIST-synaps heeft een lagere energiebehoefte dan de menselijke synaps, en we kennen geen andere kunstmatige synaps die minder energie verbruikt, "NIST-natuurkundige Mike Schneider zei.

De nieuwe synaps zou worden gebruikt in neuromorfe computers gemaakt van supergeleidende componenten, die zonder weerstand elektriciteit kan overbrengen, en daarom, efficiënter zou zijn dan andere ontwerpen op basis van halfgeleiders of software. Gegevens zouden worden verzonden, verwerkt en opgeslagen in eenheden van magnetische flux. Er zijn supergeleidende apparaten ontwikkeld die hersencellen en transmissielijnen nabootsen. maar tot nu toe, efficiënte synapsen - een cruciaal onderdeel - ontbraken.

Het brein is vooral krachtig voor taken zoals contextherkenning, omdat het gegevens zowel in volgorde als tegelijkertijd verwerkt en herinneringen opslaat in synapsen over het hele systeem. Een conventionele computer verwerkt gegevens alleen in volgorde en slaat het geheugen op in een aparte eenheid.

De NIST-synaps is een Josephson-knooppunt, lang gebruikt in NIST-spanningsnormen. Deze juncties zijn een sandwich van supergeleidende materialen met een isolator als vulling. Wanneer een elektrische stroom door de junctie een niveau overschrijdt dat de kritische stroom wordt genoemd, spanningspieken ontstaan. De synaps maakt gebruik van standaard niobiumelektroden, maar heeft een unieke vulling van nanoschaalclusters van mangaan in een siliciummatrix.

De nanoclusters - ongeveer 20, 000 per vierkante micrometer - werken als kleine staafmagneten met "spins" die willekeurig of op een gecoördineerde manier kunnen worden georiënteerd.

"Dit zijn op maat gemaakte Josephson-knooppunten, "Zei Schneider. "We kunnen het aantal nanoclusters controleren dat in dezelfde richting wijst, die de supergeleidende eigenschappen van de junctie beïnvloedt."

De synaps rust in een supergeleidende toestand, behalve wanneer het wordt geactiveerd door inkomende stroom en spanningspieken begint te produceren. Onderzoekers passen stroompulsen toe in een magnetisch veld om de magnetische ordening te versterken, dat is, het aantal nanoclusters dat in dezelfde richting wijst. Dit magnetische effect vermindert geleidelijk het kritische stroomniveau, waardoor het gemakkelijker wordt om een ​​normale geleider te maken en spanningspieken te produceren.

De kritische stroom is het laagst wanneer alle nanoclusters zijn uitgelijnd. Het proces is ook omkeerbaar:pulsen worden toegepast zonder een magnetisch veld om de magnetische ordening te verminderen en de kritische stroom te verhogen. Dit ontwerp, waarin verschillende inputs de spin-uitlijning en resulterende outputsignalen veranderen, is vergelijkbaar met hoe de hersenen werken.

Synapsgedrag kan ook worden afgestemd door de manier waarop het apparaat is gemaakt en de bedrijfstemperatuur te wijzigen. Door de nanoclusters kleiner te maken, onderzoekers kunnen de pulsenergie die nodig is om de magnetische orde van het apparaat te verhogen of verlagen, verminderen. De bedrijfstemperatuur iets verhogen van min 271,15 graden C (min 456,07 graden F) tot min 269,15 graden C (min 452,47 graden F), bijvoorbeeld, resulteert in meer en hogere spanningspieken.

Cruciaal, de synapsen kunnen in drie dimensies (3-D) worden gestapeld om grote systemen te maken die voor computergebruik kunnen worden gebruikt. NIST-onderzoekers creëerden een circuitmodel om te simuleren hoe een dergelijk systeem zou werken.

De combinatie van kleine afmetingen van de NIST-synaps, supersnelle pieksignalen, lage energiebehoefte en 3D-stapelmogelijkheden zouden de middelen kunnen bieden voor een veel complexer neuromorfisch systeem dan is aangetoond met andere technologieën, volgens het papier.