Ученые из MIT создали искусственный нейрон на основе сверхпроводящих нанопроводов. Предполагается, что даже простая сеть таких нейронов сможет функционировать столь же эффективно, как человеческий мозг. Такая сеть способна выполнять сто триллионов синаптических операций за секунду на ватт.
Самым впечатляющим вычислительным устройством, которое известно науке, является человеческий мозг. В нём множество разнообразных операций выполняется группами одних компонентов — нейронов.
Несмотря на то, что мозг работает с частотой всего несколько герц, а современные процессоры — на гигагерцовых скоростях, его возможности поражают. В секунду выполняются триллионы вычислений, что позволяет людям справляться с сложными задачами: беседой, ходьбой, вождением и другими, недоступными традиционным компьютерам.
Наш мозг расходует мало энергии для выполнения задач по сравнению с современными вычислительными устройствами. Исследователи пытаются воспроизвести вычислительную производительность человеческого мозга с помощью эффективных нейронных сетей.
Ученые Массачусетского технологического института предложили решение проблемы: создать искусственные нейроны и соединить их в сети, аналогичные человеческому мозгу. Для воплощения этой конструкции учёные разработали искусственный нейрон из сверхпроводящих нанопроводов.
Прибор, созданный на базе подобных искусственных нейронов, способен функционировать с такой же эффективностью, как и человеческий мозг (в теории).
Основные характеристики искусственного нейрона
Нейроны создают электрические импульсы для передачи данных, распространяясь по нерву. Передача информации на другой нейрон происходит через синапсы — связи между клетками нервной системы.
Другие нейроны могут передавать или блокировать информацию. В действительности, их поведение может быть похоже на работу логических элементов, где один выход формируется по нескольким входам.
Эти нейроны активизируются только при наличии электрического импульса, сила которого выше заданного порога. После активации требуется определенный промежуток времени, называемый периодом рефрактерности, прежде чем нейрон сможет снова сработать.
Новые сверхпроводящие нанопроволоки воспроизводят все эти характеристики биологических нейронов.
Такое явление обусловлено внезапным ростом сопротивления, вызванным импульсом напряжения, подобным электрическому пику в биологическом нейроне. Его можно использовать для регулирования другого импульса, создаваемого второй нанопроволокой, что повышает точность моделирования.
Простая схема из нанопроволок может копировать ключевые черты нейронов: пороговое срабатывание, время передачи сигнала (которое можно регулировать с помощью настроек схемы) и период невозбудимости.
Эффективность и ограничения мощности
Энергоэффективность сверхпроводящих цепей сравнима с таковой в биологических нейронных сетях. Исследователи сообщают, что предложенная ими искусственная нейронная сеть способна выполнять около ста триллионов синаптических операций в секунду на ватт.
Моделирование обладает большим потенциалом. В случае успешного завершения эта технология может стать высококонкурентной по скорости и мощности. Конструкция позволяет создать крупномасштабный нейроморфный процессор, который можно обучить как шипящую нейронную сеть для выполнения сложных задач, например распознавания образов.
Как и другие концепции, у него есть ограничения: сверхпроводящие нейроны могут взаимодействовать только с небольшим количеством других нейронов.