Мемтранзистор изобретен для искусственного интеллекта, который работает как мозжечок

Северо-Западный университет изобрел мемтранзистор для искусственного интеллекта, который работает так же рационально, как мозжечок в мозгу. Статья о новинке опубликована в журнале Nature Communications.

"В области нейроморфных вычислений обычно пытаются имитировать кору головного мозга. Мы создали устройство, имитирующее мозжечок. Оно управляет рефлекторными реакциями - буквально не задумываясь. Мозжечок блестяще умеет игнорировать ожидаемое и экономить ресурсы для реагирования на неожиданное. Именно такой подход дает нам выигрыш на несколько порядков в потреблении энергии", - говорит профессор Марк Херсам, возглавлявший исследование.

Мемтранзисторы на основе сульфида молибдена были изобретены в его лаборатории очень давно — и они показали, что всего два таких элемента могут успешно заменить сотню обычных кремниевых транзисторов. Теперь мемтранзисторы объединены в работоспособную матрицу, призванную минимизировать вычислительные операции.

В чем секрет мозжечка

"Современный ИИ отлично распознает закономерности, но часто тратит огромные объемы вычислительных ресурсов, постоянно анализируя потоки данных, даже когда ничего не меняется. То есть энергия тратится на анализ, который не нужен", - объясняет Херсам.

Оптимизация функционирования мозжечка основана на постоянном балансе конкурирующих сигналов, возбуждающих и тормозных. Обычно они находятся в равновесии, но как только случается что-то неожиданное, этот баланс ненадолго нарушается – и мозг получает сигнал о том, что нужно отреагировать.

Новая разработка воспроизводит ту же динамику. Контакты мемтранзистора сделали несимметричными. В результате его поведение зависит от полярности между стоком и источником: в одном он работает как «возбуждающий» синапс (накапливает эффект), в противоположном — как «тормозящий» (дает быструю, но кратковременную реакцию).

Технология совместима со стандартным полупроводниковым процессом и масштабируема, но в лабораторных условиях мы ограничились сборкой матрицы 10х1 из таких асимметричных метранисторов, чтобы убедиться в ее работоспособности. Параметры были взяты из него и загружены в нейросеть на компьютере.

проверка ЭКГ

И этому виртуальному «искусственному мозжечку» поручили анализировать ЭКГ. Моделирование вместо того, чтобы тратить ресурсы на изучение каждого сердцебиения, игнорировало нормальные и выявляло аномальные в течение миллисекунд. Результаты испытаний показывают, что система требует в 10 000 раз меньше вычислений, чем обычная кремниевая схема.

"Наш мемтранзистор, вдохновленный мозжечком, обнаружил нарушения ритма за доли секунды — еще до окончания самого сердечного цикла. Это более чем в два раза быстрее, чем обычный ИИ", — доволен профессор.

Следующий шаг — дать устройству возможность обучаться и адаптироваться. Если, например, событие, когда-то 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 много всего, что еще не реализовано. Мы намерены продолжать идти по этому пути и постепенно воссоздавать все более сложные элементы этой системы", - заключил Херсам.