Neurální čip vyrobený z memristorů

Neurální čip vyrobený z memristorů - počítačový čip, který využívá speciálních součástek zvaných memristory k napodobení struktury a kognitivní funkce lidského mozku

Tým amerických vědců z Kalifornské univerzity v Santa Barbaře a Stony Brook University vyrobil počítačový čip, který využívá speciálních součástek zvaných memristory k napodobení neurální struktury a kognitivní funkce lidského mozku.

Memristor (memory resistor) je čtvrtý teoreticky možný základní a pasivní elektronický prvek - po odporu, kondenzátoru a indukční cívce. Memristor si „pamatuje“ poslední přiložené elektrické napětí i délku jeho trvání (resp. množství náboje, které jím prošlo) a podle toho mění svůj odpor. Čím více proudu v minulosti nějakým spojením prošlo, tím je toto spojení i pro budoucnost průchodnější, tedy elektricky vodivější. Tato “odporová paměť” je navíc časově neomezená. Její informační obsah tedy nemizí po vypnutí proudu, což součástku činí velmi zajímavou pro konstruktéry trvalých počítačových pamětí a pro vývoj počítačů, které nebudou potřebovat bootovací proceduru jako dnes, protože si i po vypnutí zapamatují svůj poslední stav.

Počítače s těmito vlastnostmi budou mnohem energeticky úspornější než dnes. Podobné permanentní paměťové chování na jiné bázi bylo dříve pozorováno i v rámci tzv. spintroniky. Memristorové paměti však slibují nejen další zvyšování výkonnosti obvodů – bez nutnosti zvyšovat hustotu součástek, ale i velmi účinnou analogovou simulaci soustav s nervovými synapsemi schopnými učit se, včetně lidského mozku, protože mechanismy neuronů se při vzájemném propojování řídí podobnými zákonitostmi. První funkční memristor vyvinuli odborníci z laboratoří Hewlett-Packard v dubnu roku 2008.

Výzkumníci zkoušeli vyrábět memristory z různých materiálů, avšak zjistili, že v rámci současné technologie je pro ně třeba vyzkoušet něco méně tradičního. Zatímco analogie neuronů samotných lze provozovat v rámci současných polovodivých součástek na bázi materiálů CMOS a běžné logiky, analogie synapsí museli vědci vyrobit z memristorů na bázi kombinace oxidu hlinitého a oxidu titaničitého. Zkoušeli přitom materiálové vrstvy o různé síle - od 5 do 100 nanometrů. Oxid hlinitý zajistil, že se daná součástka bude chovat jako memristor, zatímco oxid titaničitý zvýšil razanci jeho funkce.

Memristor na bázi kombinace oxidu hlinitého a oxidu titaničitého

Neurální (neuromorfní) čip tak byl vyroben jako kombinace standardních prvků, pospojovaných sítí překřížených příček na bázi jiných materiálů. Ty fungují v místě svých překřížení jako memristory, schopné simulovat funkce lidských neuronových sítí. Jiná vědecká pracoviště navíc zkoušejí v této souvislosti i další materiály, například dvojrozměrný sulfid molybdeničitý.

Neurální síť byla vytrénována ke grafickému rozeznávání 3 písmen - V, N, Z, a posléze byla schopna vykonávat s těmito strukturami různé procedury a výpočty, přičemž největší zátěž nesla právě memristorová část čipu. Použitá síť zatím obsahovala jen pole 12x12 překřížení a pracovala jako tzv. perceptron. Odborníci soudí, že zvětšování podobných neurálních čipů a zvyšování počtu memristorů v nich povede k podstatným změnám podoby informační technologie. Teoreticky je například možné umístit na plochu jednoho centimetru čtverečního 25 milionů “nervových buněk”, z nichž každá bude propojena s okolím pomocí 10 tisíc memristorových synapsí. Celý tento systém pak bude vyžadovat elektrický příkon pouze jednoho wattu.

Zdroje: ExtremeTech, Phys.Org, MIT Technology review, Ars Technica, Nature, IEEE Spectrum 1, IEEE Spectrum 2