Разработано новое устройство на базе мемристора, максимально точно копирующее работу нейрона - «Наука и технологии»

Отсутствие электронного устройства, способного работать в точности как нейрон головного мозга, является причиной, не дающей пока еще инженерам и ученым создать полноценный нейроморфный компьютер, обладающий высочайшей эффективностью и вычислительной гибкостью, которыми обладает самый совершенный биологический компьютер естественного происхождения - головной мозг. Такое электронное устройство, электронный аналог нейрона, должно быть достаточно сложным, ведь его "поведение" должно быть намного сложнее поведение любого из существующих базовых электронных устройств.

Не так давно исследователи из лаборатории компании Hewlett Packard, Техасского университета A&M и Стэнфордского университета изобрели устройство, отвечающее всем требованиям, предъявляемым к электронному аналогу нейрона. Входным сигналом для этого устройства является постоянное напряжение различной амплитуды, в зависимости от которой устройство может выработать пачки импульсных сигналов, входить в устойчивый автоколебательный процесс, фиксировать текущее состояние и сделать много другое, что является электронным аналогом нейронной деятельности.

В состав структуры нового электронного нейтрона входит резистор, конденсатор и так называемый мемристор Мотта. Напомним, что мемристорами называют устройства, которые имеют память величины протекавшего через них тока в виде собственного электрического сопротивления. У мемристоров Мотта имеется одна особенность - их сопротивлением можно управлять не только величиной протекающего тока, но и температурой. Материал в переходе мемристора Мотта переходит из изолирующего в проводящее состояние и наоборот под воздействием температуры. Этот эффект был замечен еще в 1960-х годах, но лишь недавно люди научились использовать его в наноразмерных устройствах.

Переход мемристора состоит из кристалла оксида ниобия, который при подаче напряжения нагревается и переходит в проводящее состояние. Когда происходит такое переключение, то через низкоомную цепь мемристора разряжается накопленный в конденсаторе заряд, после чего устройство охлаждается и мемристор возвращается в непроводящее состояние. В результате этой последовательности вырабатывается импульс тока, напоминающий сигнал, вырабатываемый нейроном.

Проведенные исследования поведения "электронного нейрона" показали, что существуют области так называемого хаотичного поведения и области стабильного состояния нейрона, которые зависят от величины прикладываемого потенциала и других параметров устройства. Именно края некоторых хаотичных регионов представляют собой интерес, ведь поведение устройства в этих регионах максимально точно копирует поведение биологического нейрона при определенных условиях.

При помощи одинаковых устройств исследователи создали импульсные версии аналоговых логических элементов И-НЕ, НЕ и других, являющихся базовыми блоками любой электронной логической схемы. Единственным минусом всего этого является то, что для каждого "электронного нейрона" пока еще требуется своя собственная аналоговая схема, оптимизирующая режим работы этого устройства.

Ученым предстоит проделать еще массу работы, прежде чем их изобретение может превратиться в практичную вещь. Основная проблема заключается в том, что температура фазового перехода оксида ниобия (NbO2) составляет около 800 градусов. С учетом особенностей структуры нового устройства, такая температура и мемристорный эффект возникают в очень тонком слое материала, в нескольких нанометрах. Но, если на кристалле чипа будут миллионы и миллиарды подобных устройств, то большое количество выделяемого тепла может стать огромной проблемой. Поэтому ученые планируют, в первую очередь, найти замену оксиду ниобия, материал, обеспечивающий работу мемристоров Мотта, при функционировании которых температура кристалла будет находиться в приемлемом диапазоне от 60 до 100 градусов.