Ученые, используя как экспериментальные, так и компьютерные модели, продемонстрировали, что кристалл, обладающий люминесцентным эффектом, может функционировать как искусственный синапс, не нуждаясь в электронных компонентах. Исключение преобразования света в электрический ток позволит значительно уменьшить энергопотребление датчиков, применяемых в системах машинного зрения. Тем не менее, пока что успешные результаты получены лишь при работе с крупным образцом в лабораторных условиях, поэтому технология нуждается в дополнительной доработке.
Исторически сложилось так, что архитектура традиционных компьютеров разделяла процессы обработки данных и их хранения. Передача информации между процессором и памятью требует значительных затрат времени и энергии. Эта особенность особенно затрудняет работу алгоритмов машинного обучения. В отличие от этого, биологический мозг функционирует более эффективно: сила межнейронных связей одновременно служит хранилищем опыта и играет роль вычислительного фильтра, обрабатывающего новые сигналы.
Нейроморфные чипы, имитирующие структуру мозга, разрабатывались инженерами на протяжении длительного времени. Изначально искусственные синапсы создавались с использованием электронных компонентов, что приводило к значительному энергопотреблению и нагреву. Впоследствии были разработаны оптоэлектронные устройства, которые получали световой сигнал непосредственно от источника, однако для модификации параметров памяти по-прежнему требовалась электрическая цепь.
Специалисты изучали возможности создания оптического синапса, функционирующего по принципу полной оптической системы. В такой конструкции свет должен был бы не только передавать сигнал, но и изменять степень взаимодействия между элементами сети. Недавнее исследование подтвердило перспективность данного метода. Результаты опубликовали в журнале Advanced Photonics.
Специалисты провели измерения реакции светильного материала на воздействие световых импульсов различной частоты. Проанализировали, как меняется его поведение при последовательном облучении ультрафиолетовым и инфракрасным излучением.
Для создания материала был выбран кристалл, содержащий стронций, европий и диспрозий, демонстрирующий эффект пролонгированной люминесценции. При этом соотношение между мгновенным свечением и способностью к накоплению энергии определялось воздействием предшествующих световых импульсов. Данная особенность оказалась оптимальной для воспроизведения принципов работы нейронной памяти: материал сохранял информацию о прошлых световых вспышках без необходимости использования дополнительных электронных схем.
В ходе экспериментов исследователи направляли на кристалл последовательные световые импульсы. Ультрафиолетовое излучение выполняло роль усилителя. Первый импульс заполнял структурные дефекты зарядом. К моменту поступления второго импульса дефекты были полностью заполнены, и энергия немедленно трансформировалась в свечение. Следовательно, реакция на второй импульс была более интенсивной, чем на первый.
Инфракрасное излучение оказывало противоположное воздействие, высвобождая заряды из удерживающих их структур. Первоначальный импульс полностью истощал накопленный заряд, что приводило к ослаблению ответа кристалла на последующий импульс. Умение материала регулировать интенсивность оптического сигнала, делая его более ярким или менее выраженным, подтвердило его перспективность для создания логических схем.
В ходе эксперимента физики преобразовали кристалл в тонкую пленку и поместили её на матрицу цифровой камеры. Полученное покрытие функционировало как чувствительный оптический фильтр. Четкие элементы изображения оставляли устойчивый след, в то время как случайные помехи быстро исчезали до момента оцифровки кадра. Затем была проведена проверка работы сенсора на компьютерной модели в задаче распознавания рукописных цифр. Без использования свойств кристалла точность нейросети в программной симуляции составила 78%, а при моделировании оптического синапса она увеличилась почти до 96%.
Не стоит сейчас говорить о создании оптических процессоров, обладающих заявленными характеристиками. Сложная камера, состоящая из тысяч световых синапсов, на данный момент существует лишь в компьютерной симуляции. В реальности кристаллический прототип демонстрировал реакцию на управляющие сигналы с задержкой в десятки миллисекунд. Это крайне большое время отклика для современной микроэлектроники. Кроме того, для работы лазера требуется значительное энергопотребление. Преодоление этих недостатков станет возможным благодаря уменьшению размеров чипа до микрометрового диапазона.
Проведенные исследования подтвердили, что камера обладает возможностью обрабатывать и сохранять детали изображения без использования электроэнергии. В будущем данная технология потенциально позволит продлить время автономной работы устройства, поскольку позволит отказаться от ресурсоемких вычислений.