29.11.2014

Никелатовый синапс-транзистор создан в Гарварде

Специалисты по материаловедению из Гарвардской школы инженерных и прикладных наук (SEAS) создали новый тип транзистора, который имитирует поведение синапса. Непривычный прибор одновременно модулирует поток информации в цепи и физически приспосабливается к изменяющимся сигналам.

Используя необычные свойства новых материалов, синаптический транзистор может стать началом нового типа искусственного интеллекта - встроенного не в разумные алгоритмы, а в саму архитектуру компьютера.

"В наши дни существует чрезвычайный интерес к созданию энергоэффективной электроники, - говорит научный руководитель Шрирам Раманатан (Shriram Ramanathan), ассоциированный профессор материаловедения в Гарвардской школе SEAS. - Исторически сложилось так, что люди фокусировались на скорости, но обратной стороной скорости является растрата энергии. По мере того как электроника становится всё более мощной и вездесущей, уменьшение количества потребляемой энергии может оказать огромное влияние".

Людскому мозгу достаточно примерно 20 Вт энергии.

"Транзистор, который мы продемонстрировали, является реальным аналогом синапса нашего мозга, - рассказал ведущий соавтор Цзянь Ши (Jian Shi), постдокторант в SEAS. - Каждый раз, когда нейрон инициирует действие и другой нейрон реагирует, синапс между ними увеличивает свою проводимость. И чем быстрее нейроны обмениваются импульсами, тем с каждым разом сильнее становится синаптическая связь. По существу, синапс запоминает взаимодействие нейронов".

В принципе, система, объединяющая миллионы крошечных синаптических транзисторов и нейронных окончаний, может производить параллельные вычисления, и она может привести в новую эру сверхэффективной высокой производительности.

Подобно тому как ионы кальция и рецепторы вызывают изменения в биологическом синапсе, искусственный вариант достигает такой же пластичности с помощью ионов кислорода. При подаче напряжения эти ионы входят и выходят из кристаллической решетки очень тонкой (80-нм) пленки никелата самария, который действует как синаптический канал между двумя платиновыми электродами "аксонов" и "дендритов". Изменяемая концентрация ионов в никелате повышает или снижает его проводимость, то есть его способность переносить информацию с помощью электрического тока и, как в настоящем синапсе, сила связи зависит от временной задержки электрического сигнала.

Структурно прибор состоит из никелатового полупроводника, размещенного между двумя платиновыми электродами, и примыкающей маленькой емкости ионной жидкости. Внешний мультиплексор цепей преобразует временную задержку в значение напряжения, которое прикладывается к ионной жидкости, создавая электрическое поле, которое либо вводит ионы в никелат, либо выводит их. Все устройство длиной всего несколько сотен микрон встроено в кремниевый чип.

Синаптический транзистор обладает несколькими явными преимуществами перед традиционными кремниевыми транзисторами. В первую очередь, он не ограничен двоичной системой нулей и единиц.

"Система меняет свою проводимость в аналоговом режиме, непрерывно, по мере изменения состава материала, - разъясняет Цзянь Ши. - Использовать КМОП, традиционную схемотехнику, для имитации синапса было бы довольно непростой задачей, потому что биологические синапсы имеют практически неограниченное число возможных состояний, а не только "включено" или "выключено".

Синаптический транзистор обладает еще одним преимуществом - энергонезависимой памятью.

Вдобавок, новый транзистор является экономичным по своей природе. Никелат относится к необычному классу материалов, называемых коррелированными электронными системами. При определенной температуре или, в данном случае, под воздействием внешнего поля, проводимость материала внезапно изменяется.

"Мы используем чрезвычайную чувствительность этого материала, - рассказывает Раманатан. - Очень малое возбуждение позволяет получить большой сигнал, поэтому энергия на входе, необходимая для управления переключением, потенциально является очень малой. Это позволит получить резкое повышение энергоэффективности".

Система из никелата также хорошо подходит для органичной интеграции в существующие кремниевые системы.

"В нашей работе мы демонстрируем функционирование устройства при высоких температурах, но красота этого типа устройств заключается в том, что поведение устройства при "обучении" более-менее не чувствительно к температуре. И это является большим преимуществом, - сообщает Раманатан. - Мы можем эксплуатировать его где угодно - от комнатной температуры до не менее 160 °С".

Пока что ограничения связаны с проблемами синтеза относительно малоизученного материала и размером устройства, который влияет на его быстродействие.

"В нашем устройстве, созданном для проверки концепции, постоянная времени была определена геометрией экспериментального устройства, - рассказал Раманатан. - Другими словами, чтобы действительно сделать сверхбыстрое устройство, вам нужно всего лишь ограничить объем жидкости и разместить управляющий электрод ближе к ней".

На самом деле, Раманатан и его команда ученых уже планируют вместе с специалистами по микрофлюидистике в SEAS исследовать возможности и пределы этого "предельно жидкостного транзистора".

Он также получил начальный грант от Национальной академии наук на изучение интеграции синаптических транзисторов в схемы, создаваемые по законам биосистем, вместе с Л. Махадеваном (L. Mahadevan), профессором прикладной математики, профессором организменной и эволюционной биологии, профессором физики.

"В обстановке школы SEAS работа очень увлекательна. Мы имеем возможность легко сотрудничать с людьми разных интересов", - рассказал Раманатан.

Для ученого-материаловеда настолько же интересно изучать возможности коррелированных оксидов (таких как никелат в этом исследовании), как и возможные его применения.

"Вам нужно построить новый инструментарий, способный синтезировать эти новые материалы, но когда вы уже смогли сделать это, вы получаете абсолютно новую структуру материала, свойства которой фактически неизведанны, - сказал Раманатан. - Работать с такими материалами очень увлекательно - о них известно очень мало и вы имеете возможность создать знания с нуля".

"Такой способ представления доказательств концепции выводит вашу работу в практический мир, - добавил он, - где вы можете на самом деле превратить эти экзотические электронные свойства в непревзойденные совершенные устройства".

Поддержку этому исследованию предоставили Национальный научный фонд (NSF), Инициатива междисциплинарных университетских исследований научного центра армии и Центр научных исследований воздушных сил. Также команда воспользовалась лабораториями Гарвардского центра наносистем - члена поддерживаемой NSF Национальной сети инфраструктуры нанотехнологий. Соавторами работы были постдокторант школы SEAS Сью Д. Ха (Sieu D. Ha), аспирант Ю Чжоу (You Zhou) и бывший постдокторант Фрэнк Скуфс (Frank Schoofs).

Источники:

1. russianelectronics.ru