Разработчики создали электронный синапс, имитирующий нейронную систему
Исследователи из Университета Сонгюнкван (SKKU) в Южной Корее разработали новое оптоэлектронное синаптическое устройство, которое очень близко имитирует работу человеческих нейронов и синапсов на уровне одного компонента. Результаты работы опубликованы в журнале Advanced Materials.
Почему такие разработки нужны
Искусственный интеллект развивается очень быстро, и ему требуется обрабатывать огромные объемы визуальных данных в реальном времени. Обычные компьютерные чипы при этом расходуют слишком много энергии и работают медленно. Нужны нейроморфные системы — устройства, вдохновлённые устройством мозга. Оптоэлектронные синапсы как раз и меняют свою проводимость под действием света, что позволяет им «запоминать» увиденное.
Как создали устройство
Команда под руководством профессора Тэсуна Кима из Школы машиностроения SKKU применила изящный и эффективный подход. Они взяли материал Ван-дер-Ваальса — селенид рения (ReSe₂). Это слоистый кристалл, в котором отдельные слои удерживаются слабыми силами, как страницы в книге.
С помощью процесса из одной стадии плазменной сульфидизации (смесью аргона и сероводорода Ar + H₂S) ученые превратили только верхнюю часть кристалла в слой, состоящий из множества крошечных нанокристаллов. Нижняя часть осталась цельным монокристаллом. Таким образом получилась естественная двухслойная структура без дополнительных сложных этапов осаждения или литографии.
Решение старых проблем
Традиционные материалы Ван-дер-Ваальса — это слоистые кристаллы, где отдельные атомные слои слабо связаны между собой. Однако у них часто возникают проблемы: неконтролируемые границы зёрен, остатки полимеров, механическое коробление пленок и неоднородность структуры на больших площадях.
Новый метод позволил успешно обойти эти сложности. Границы нанокристаллов в верхнем слое четко ограничивают движение ионов серы на атомном уровне. Благодаря этому исследователи получили точный контроль над «силой» синаптической связи.
Близко к живой природе
Схема нейрона и синапса в процессе передачи нервного импульса (потенциала действия). После внешней стимуляции нейрон активируется и передает сигнал следующему нейрону.
Ученые специально ориентировались на биологию и работе мозга. Верхний нанокристаллический слой работает аналогично светочувствительным ионным каналам в мембране нервной клетки, а нижний монокристаллический слой — как внутриклеточная среда. Такая архитектура получилась естественной и очень эффективной.
Что показывает устройство в деле
Новое устройство успешно воспроизводит основные функции биологических синапсов:
- многоуровневую модуляцию проводимости,
- долговременную потенциацию и депрессию (LTP/LTD),
- облегчение парных импульсов (PPF),
- управляемый переход от кратковременной памяти (STM) к долговременной (LTM).
В экспериментах по сохранению информации оно показало на 34,7% лучшую эффективность в циклах «обучение — забывание — повторное обучение» по сравнению с обычным объемным ReSe₂. При решении задачи распознавания изображений на известном наборе CIFAR-10 точность достигла 96,24%. Кроме того, устройство хорошо справилось с обнаружением границ объектов на обычных фотографиях.
Профессор Тэсун Ким, ведущий автор исследования, отметил:
«Это исследование показывает простой одностадийный способ создавать структуру кристаллов Ван-дер-Ваальса для оптоэлектронных синаптических устройств. Они способны обучаться и хранить информацию прямо под действием света.
Благодаря тому, что мы решили проблему хаотичного движения ионов и нестабильности границ слоев, эта архитектура открывает путь к нейроморфным полупроводникам нового поколения и более эффективному "железу" для искусственного интеллекта».
По словам авторов, эта разработка дает хорошую материальную основу для создания более эффективных нейроморфных чипов будущего. Такие устройства смогут работать с минимальным потреблением энергии, используя свет вместо постоянных электрических сигналов, и приближают нас к аппаратному ИИ, который по принципам работы действительно напоминает живой мозг.
