Конец эпохи энергоемкого искусственного интеллекта: разработан мемристор, имитирующий функцию нейронов человека

Команда ученых под руководством Кембриджского университета совершила значительный прорыв в разработке наноэлектронных устройств, создав чип, работающий по принципу человеческого мозга.

Новые технологии могут снизить энергопотребление систем искусственного интеллекта на 70%, одновременно делая машины более умными и адаптивными. Исследование, которое может фундаментально изменить полупроводниковую промышленность, было опубликовано в журнале Science Advances.

Современный искусственный интеллект основан на традиционных архитектурах, в которых данные постоянно перемещаются между памятью и процессором. Этот процесс требует колоссальных затрат энергии. Однако нейроморфные вычисления, предложенные исследователями, совмещают хранение и обработку данных в одном месте. Ключевым элементом системы является модифицированный мемристор из оксида гафния, который имитирует способ соединения нейронов в мозге.

Основное отличие данной разработки от существующих аналогов – ее стабильность. Большинство мемристоров работают путем формирования непредсказуемых проводящих нитей, требующих высокого напряжения. Команда из Кембриджа применила другой подход: добавив стронций и титан, они создали ультратонкую пленку, в которой переключение состояний происходит контролируемо на границе между слоями материала. Это позволило устройству работать при токах, в миллион раз меньших, чем у обычных мемристоров на основе оксидов.

Ведущий автор исследования, доктор Бабак Бахит, отмечает, что разработанный чип демонстрирует исключительную единообразность работы и возможности аналоговых вычислений. В ходе лабораторных испытаний устройства оставались стабильными в течение десятков тысяч циклов переключения. Кроме того, чип продемонстрировал способность поддерживать модели биологического обучения, такие как пластичность подключения, зависящая от времени импульса. Это означает, что оборудование может не только хранить единицы и нули, но также учиться и адаптироваться к новым условиям.

Несмотря на успех, технология все еще нуждается в доработке для промышленного масштаба. Текущий производственный процесс требует температуры около 700°C, что выше стандартных температур производства полупроводников. Однако ученые уже работают над методами снижения температуры, чтобы эти устройства можно было интегрировать в обычные микрочипы.

Этот прогресс является результатом трехлетней работы, сопровождавшейся многочисленными экспериментами. Если проблема управления температурой будет решена, новая технология «электронного мозга» станет настоящей революцией, позволяющей создавать невероятно мощные, но энергоэффективные системы искусственного интеллекта для самых разных устройств — от смартфонов до огромных центров обработки данных.

Напомним, что впервые искусственным нейронам стало возможным напрямую взаимодействовать с живыми клетками мозга. В основе лежит возможность генерации электрических сигналов, практически идентичных сигналам живых нейронов, которые могут активировать биологическую ткань мозга.