Мемристоры для электронного мозга

Компьютерные биты двоичны и могут принимать значение 0 или 1. Напротив, нейроны в мозге могут варьировать виды разных внутренних состояний, в зависимости от того, что именно они получили. Данное свойство нейронов позволяет мозгу обрабатывать информацию более энергоэффективным способом, чем компьютер. Физики Университета Гронингена (UG) создают мемристоры (резисторы с памятью, сделанными из титаната стронция, легированного ниобием), которые имитируют работу нейронов. Их результаты были опубликованы в the Journal of Applied Physics 21 октября.

Мозг превосходит традиционные компьютеры во многих отношениях. Мозговые клетки используют меньше энергии, быстрее обрабатывают информацию и более хорошо и быстро адаптируются. Способ, которым клетки мозга реагируют на стимул, зависит от информации, полученной ими, которая потенцирует или ингибирует нейроны. Ученые работают над новыми типами устройств – мемристорами, которые могут имитировать это поведение.

Память

Ученый г-жа Анук Гуссенс, главный автор статьи, испытала мемристоры из титаната, легированного ниобием. Проводимость мемристоров контролируется электрическим полем: «Мы используем способность системы переключать сопротивление: путем применения импульсов напряжения мы можем контролировать сопротивление, и, используя низкое напряжение, мы считываем ток в разных состояниях, а сила импульса определяет сопротивление в устройстве. Мы показали, что может быть реализован коэффициент сопротивления не менее 1000. Затем мы измерили то, что произошло через некоторое время. Гуссенс особенно сильно интересовала временная динамика состояний сопротивления.

Слева: упрощенное представление небольшой части мозга: нейроны получают, обрабатывают и передают сигналы через синапсы. Справа: взаимопересекающийся массив, который является возможной архитектурой реализации с помощью устройств. Мемристоры, подобно синапсам в мозге, могут изменять свою проводимость, чтобы связи могли быть ослаблены и усилены. Фото: Spintronics of Functional Materials group, University of Groningen

Она заметила, что длительность импульса, с которым была установлена ​​сопротивляемость, определяет, как долго продлится «память». Это время может составлять от одного до четырех часов для импульсов длительностью от 1 секунды до 2 минут. Кроме того, ученый обнаружила, что после 100 циклов переключения данный материал не показал признаков усталости.

Забывание

«Есть разные вещи, которые можно сделать с этим», – говорит Гуссенс. «Посредством «обучения» устройства по разным сценариям, используя разные импульсы, мы можем изменять его поведение». Тот факт, что сопротивление со временем меняется, также может быть полезным: «Эти системы могут забывать, также, как мозг. Это позволяет мне использовать время как переменный параметр. Кроме того, устройства, созданные Гуссенс, объединяют память и обработку данных в одном устройстве, что более эффективно, чем традиционная компьютерная архитектура, в которой разделены память (на магнитных жестких дисках) и обработка (в центральном процессоре).

Вопросы

Прежде чем строить схемы мозга с помощью своего устройства, Гуссен планирует провести эксперименты, чтобы действительно понять, что происходит внутри материала. «Если мы не знаем точно, как это работает, мы не сможем решить любые проблемы, которые могут возникнуть в этих схемах. Итак, мы должны понять физические свойства материала: что он делает и почему.

Вопросы, на которые Гуссен хочет ответить, включают параметры, влияющие на достигнутые состояния. «Если мы изготовим 100 этих устройств, все ли они будут работать одинаково? Если они этого не сделают, и будет присутствовать выборность устройств, это не должно быть проблемой. В конце концов, не все элементы в мозге одинаковы».

A.S. Goossens, A. Das, T. Banerjee.

Electric field driven memristive behavior at the Schottky interface of Nb-doped SrTiO3.

Journal of Applied Physics, 2018; 124 (15): 152102 DOI: 10.1063/1.5037965