Выключатель NIST, описанный в Научных Достижениях, называют синапсом, как его биологический коллега, и он поставляет недостающую часть для так называемых neuromorphic компьютеров. Предполагаемый как новый тип искусственного интеллекта, такие компьютеры могли повысить восприятие и принятие решений для заявлений, таких как самоходные автомобили и диагноз рака.
Синапс – связь или выключатель между двумя клетками головного мозга. Искусственный синапс NIST – приземистый металлический цилиндр, 10 микрометров в диаметре – похожи на реальную вещь, потому что это может обработать поступающие электрические шипы, чтобы настроить пронзающие выходные сигналы. Эта обработка основана на гибком внутреннем дизайне, который может быть настроен опытом или его средой.
Чем больше увольнения между клетками или процессорами, тем более сильный связь. И реальные и искусственные синапсы могут таким образом поддержать старые схемы и создать новые. Еще лучше, чем реальная вещь, синапс NIST может стрелять намного быстрее, чем человеческий мозг – 1 миллиард раз в секунду, по сравнению с 50 разами клетки головного мозга в секунду – использующий просто дуновение энергии, приблизительно одна десятитысячная так же как человеческий синапс. В технических терминах пронзающая энергия – меньше чем 1 attojoule, ниже, чем второстепенная энергия при комнатной температуре и наравне с химической энергией, соединяя два атома в молекуле.
«У синапса NIST есть более низкие энергетические потребности, чем человеческий синапс, и мы не знаем ни о каком другом искусственном синапсе, который использует меньше энергии», сказал физик NIST Майк Шнайдер.Новый синапс использовался бы в neuromorphic компьютерах, сделанных из компонентов сверхпроводимости, которые могут передать электричество без сопротивления, и поэтому, были бы более эффективными, чем другие проекты на основе полупроводников или программного обеспечения. Данные были бы переданы, обработаны и сохранены в единицах магнитного потока.
Устройства сверхпроводимости, подражающие клеткам головного мозга и линиям передачи, были разработаны, но до сих пор, эффективные синапсы – решающая часть – отсутствовала.Мозг особенно силен для задач как признание контекста, потому что это обрабатывает данные и в последовательности и одновременно и хранит воспоминания в синапсах на всем протяжении системы. Обычный компьютер обрабатывает данные только в последовательности и хранит память в отдельной единице.Синапс NIST – соединение Джозефсона, долго используемое в стандартах напряжения NIST.
Эти соединения – сэндвич материалов сверхпроводимости с изолятором как заполнение. Когда электрический ток посредством соединения превышает уровень, названный критическим током, шипы напряжения произведены. Синапс использует стандартные электроды ниобия, но сделал уникальное заполнение наноразмерных групп марганца в кремниевой матрице.Наногруппы – приблизительно 20 000 за квадратный микрометр – действуют как крошечные стержневые магниты с «вращениями», которые могут быть ориентированы или беспорядочно или скоординированным способом.
«Это настроенные соединения Джозефсона», сказал Шнайдер. «Мы можем управлять количеством наногрупп, указывающих в том же самом направлении, которое затрагивает свойства сверхпроводимости соединения».Синапс покоится в сверхпроводящем состоянии, кроме тех случаев, когда он активирован поступающим током и начинает производить шипы напряжения. Исследователи применяют импульсы тока в магнитном поле, чтобы повысить магнитный заказ, то есть, количество наногрупп, указывающих в том же самом направлении. Этот магнитный эффект прогрессивно снижает критический текущий уровень, облегчая создавать нормального проводника и производить шипы напряжения.
Критический ток является самым низким, когда все наногруппы выровнены. Процесс также обратим: Импульсы применены без магнитного поля, чтобы уменьшить магнитный заказ и поднять критический ток.
Этот дизайн, в котором различные исходные данные изменяют выравнивание вращения и получающиеся выходные сигналы, подобен тому, как мозг работает.Поведение синапса может также быть настроено, изменившись, как устройство сделано и его рабочая температура. Делая наногруппы меньшими, исследователи могут уменьшить энергию пульса, должен был поднять или понизить магнитный заказ устройства. Повышение рабочей температуры немного от минус 271,15 градуса по Цельсию (минус 456,07 градусов по Фаренгейту) к минус 269,15 градусов по Цельсию (минус 452,47 градуса по Фаренгейту), например, приводит к больше и более высокие шипы напряжения.
Кардинально, синапсы могут быть сложены в трех измерениях (3D), чтобы сделать большие системы, которые могли использоваться для вычисления. Исследователи NIST создали модель схемы, чтобы моделировать, как такая система будет работать.
Комбинация синапса NIST небольшого размера, сверхбыстрых пронзающих сигналов, низких энергетических потребностей и 3D способности укладки могла обеспечить средства для намного более сложной neuromorphic системы, чем было продемонстрировано с другими технологиями, согласно бумаге.Работа была поддержана Криогенной Вычислительной Программой Сложности Деятельности Проектов Перспективного исследования Разведки.