Zürich, Bratislava – 10. augusta 2016: Vedci zo spoločnosti IBM vytvorili umelé neuróny s nepravidelnými akčnými potenciálmi, ktoré ukladajú a spracovávajú údaje pomocou materiálov s fázovou zmenou (phase-change materials). To predstavuje zásadný pokrok vo vývoji energeticky efektívnych integrovaných neuromorfných technológií s ultravysokou hustotou, určených pre aplikácie kognitívnych výpočtových systémov.
Vedci inšpirovaní biologickým fungovaním mozgov hovorili teoreticky o možnosti napodobenia rozmanitých výpočtových vlastnosti neurónov celé desaťročia. „Využitie materiálov s fázovou zmenou pre pamäťové aplikácie skúmame už viac ako desať rokov. Výrazný pokrok sme zaznamenali v posledných dvoch rokoch,” hovorí Evangelos Eleftheriou, vedecký pracovník spoločnosti IBM.
„Počas tohto obdobia sme sme objavili a zverejnili nové pamäťové techniky, vrátane kolokovanej pamäte a prvého uloženia troch bitov na bunku v pamäti fázovej zmeny. Teraz sme pokročili ďalej, a sme schopní predstaviť nové vlastnosti umelých neurónov postavených na fázovej zmene, ktoré dokážu vykonávať niekoľko jednoduchých výpočtových úloh. Patrí medzi ne napríklad odhaľovanie korelácie dát a učenie sa bez dohľadu, vysoká rýchlosť a nízka spotreba energie.”
Výsledky výskumu sa objavili na titulnej stránke odborného časopisu Nature Nanotechnology. Umelé neuróny vytvorené expertami spoločnosti IBM v Zürichu sa skladajú z materiálov s fázovou zmenou, vrátane telluridu germánia a antimónu, ktorý sa vyskytuje v dvoch stabilných formách: amorfný (bez jasne danej šruktúry) a kryštalický (s jasnou štruktúrou). Tieto materiály sú aj základom prepisovateľných Blu-ray diskov. Umelé neuróny ale nie sú schopné uchovávať digitálne informácie. Sú analógové rovnako ako synapsie a neuróny v biologickom mozgu.
Tím vedcov IBM Reserach Lab v Zürichu v publikovanej ukážke vystavil umelé neuróny sérii elektrických impulzov, čo viedlo k postupnej kryštalizácii fázovo premenlivého materiálu, až sa napokon neurón aktivoval. V neurovede je pri biologických neurónoch táto vlastnosť známa ako “integrateand-fire”. Ide o základ výpočtového procesu založeného na udalosti a v zásade ho možno prirovnať k reakcii, ktorá sa odohráva v ľudskom mozgu, keď sa dotkneme niečoho horúceho.
Vďaka tejto vlastnosti môžeme použiť jeden jediný neurón na to, aby v reálnom čase odhalil vzorce a objavil korelácie v reťazcoch dát založených na udalostiach. Napríklad v rámci internetu veci (IoT) môžu senzory zhromažďovať a analyzovať veľké objemy dát o počasí za účelom rýchlejšej tvorby predpovedí počasia. Umelé neuróny sa môžu využiť na odhaľovanie vzorcov vo finančných transakciách, ktoré budú slúžiť na objavovanie nezrovnalostí alebo nových kultúrnych trendov v reálnom čase z dát zo sociálnych sietí. Populáciu týchto vysokorýchlostných nízkoenergetických nanoškálových neurónov možno využiť tiež v neuromorfních ko-procesoroch s kolokovanou pamäťou a procesnými jednotkami.
Vedci zo spoločnosti IBM usporiadali stovky umelých neurónov do populácií a využili ich na vytvorenie rýchlych a komplexných signálov. Umelé neuróny môžu navyše vydržať miliardy spínacích cyklov, čo pri frekvencii aktualizácie 100 Hz zodpovedá mnohým rokom fungovania. Energia potrebná na aktualizáciu každého neurónu bola pritom nižšia ako päť pikojoulov a ich priemerný výkon bol 120 mikrowattov. Pre Porovnanie na rozsvietenie 60wattovej žiarovky potrebujeme 60 miliónov mikrowattov.
“Populácia stochastických fázovo premenlivých neurónov v kombinácii s ďalšími nanoškálovými výpočtovými prvkami, ako sú umelé synapsie, by mohla byť kľúčovým základom na vytvorenie novej generácie extrémne hustých neuromorfních systemu,” hovorí Tomáš Tůma, jeden zo spoluautorov odborného článku.
IBM
