Изобретен мемтранзистор для ИИ, работающего как мозжечок
В Северо-Западном университете изобрели мемтранзистор для искусственного интеллекта, который работает так же рационально, как мозжечок в головном мозге. Статью о новинке напечатал журнал Nature Communications.
«В области нейроморфных вычислений обычно стараются имитировать кору больших полушарий. Мы же создали устройство, которое подражает мозжечку. Он управляет рефлекторными реакциями — буквально не думая. Мозжечок блестяще умеет игнорировать ожидаемое и беречь ресурсы для реакции на неожиданное. Именно этот подход дает нам выигрыш на несколько порядков по энергопотреблению», — говорит профессор Марк Херсам, руководивший исследованием.
Мемтранзисторы на сульфиде молибдена в его лаборатории придумали давно — и показали, что всего два таких элемента могут с успехом заменить сотню обычных кремниевых транзисторов. Теперь мемтранзисторы объединили в работоспособную матрицу, спроектированную в расчете на минимизацию вычислительных операций.
В чем секрет мозжечка
«Современный ИИ отлично распознает образы, но часто тратит огромные вычислительные ресурсы на непрерывный анализ потоков данных даже тогда, когда ничего не меняется. То есть энергия сжигается впустую на анализ, который не нужен», — объясняет Херсам.
В основе оптимизации работы мозжечка — непрерывный баланс конкурирующих сигналов, возбуждающего и тормозного. Обычно они пребывают в равновесии, но как только происходит что-то неожиданное, это равновесие ненадолго нарушается — и мозг получает сигнал о том, что нужно реагировать.
В новой разработке воспроизведена та же динамика. Контакты у мемтранзистора сделали асимметричными. В результате его поведение зависит от полярности между стоком и истоком: в одной он работает как «возбуждающий» синапс (накапливает эффект), в обратной — как «тормозящий» (дает быструю, но кратковременную реакцию).
Технология совместима со стандартным полупроводниковым техпроцессом и масштабируема, но в лабораторных условиях ограничились тем, что собрали из таких асимметричных метранзисторов матрицу 10×1 — чтобы убедиться в работоспособности. С нее сняли параметры и загрузили их в нейросеть на компьютере.
Слева — схема взаимодействия возбуждающих и тормозных синаптических входов внутри клетки Пуркинье, показывающая подавление спайковой активности, когда торможение превышает возбуждение до наступления облегчения.
Справа — устройство мемтранзистора с каналом из MoS₂. Показаны направления тока в зависимости от схемы включения. Внизу — поперечный срез под электронным микроскопом. Черная и красная полоски для масштаба — 100 нм и 50 нм соответственно.
Проверка на ЭКГ
И уже этому виртуальному «искусственному мозжечку» поручили анализ ЭКГ. Симуляция, вместо того чтобы расходовать ресурсы на изучение каждого удара сердца, игнорировала нормальные и за миллисекунды выявляла аномальные. По выведенной из результатов испытаний оценке, на это системе требуется в 10 000 раз меньше вычислений, чем обычной схеме на кремнии.
«Наш мемтранзистор, вдохновленный мозжечком, регистрировал нарушение ритма за долю секунды — еще до того, как заканчивался сам сердечный цикл. Это более чем вдвое быстрее по сравнению с обычным ИИ», — доволен профессор.
Следующим шагом будет наделение устройства способностям к обучению и адаптации. Если, например, событие, однажды воспринятое как неожиданное, повторяется снова и снова, мозг постепенно привыкает к нему и перестает считать его новой аномалией.
«Мы воспроизвели одну часть нейронной цепи мозжечка, но впереди еще многое, что еще не реализовано. Мы намерены продолжать идти по этому пути и постепенно воссоздавать все более сложные элементы этой системы», — подытожил Херсам.
