Использование искусственных нейромедиаторов для нейроморфных вычислений

Скирмионы – это сверхстабильные атомные объекты, впервые обнаруженные в реальных материалах в 2009 году, которые, как недавно обнаружили, также существуют при комнатной температуре. Эти уникальные объекты имеют ряд желательных свойств, в том числе существенно малое пороговое напряжение, наноразмеры и простую электрическую манипуляцию.

Хотя эти свойства могут быть полезны для создания широкого спектра электроники, разработка функциональных полностью электрических устройств с использованием скирмионов до сих пор оказалась очень сложной. Одним из возможных применений скирмионов является нейроморфное вычисление, которое влечет за собой создание искусственных структур, похожих на те, которые наблюдаются в человеческом мозге. Нейроморфное вычисление используется для аппаратного ускорения работы алгоритмов искусственных нейронных сетей, компьютерного зрения, распознавания по голосу, машинного обучения и других методов искусственного интеллекта

Имея это в виду, исследователи из Корейского института науки и технологии (KIST) недавно исследовали возможность использования скирмионов для воспроизведения механизмов, наблюдаемых в человеческом мозге. Их статья, опубликованная в журнале Nature Electronics 16-го марта, показывает, что эти ультраустойчивые атомные структуры могут использоваться для имитации некоторых видов поведения биологических синапсов, которые представляют собой соединения между нейронами, через которые нервные импульсы передаются в разные части человеческого мозга.

«С момента их открытия было несколько демонстраций электрических манипуляций с скирмионами, которые предполагали, что их можно использовать для создания полностью функционирующего устройства», – сказал Сеонгхун Ву, один из исследователей, проводивших исследование. «В то же время мы наблюдаем рост исследований нейроморфных вычислений, что позволяет предположить, что аналоговое запоминающее устройство, известное как «мемристор», может быть использовано для значительного повышения эффективности вычислений. Поскольку другие технологии, использующие существующую аналоговую память, все еще находятся на ранних стадиях развития, мы думаем, что мемристоры на основе скирмионов могут быть решением из-за их идеальных характеристик».

Нейроны в мозге связываются через синапсы с помощью нейротрансмиттеров, химических веществ, которые передают неврологическую информацию из одной клетки в другую. В искусственных синапсах, созданных исследователями, каждый отдельный скирмион действует как нейромедиатор.

Контролируя количество скирмионов в системе, использующей минимальную электрическую мощность, исследователи смогли имитировать два механизма, наблюдаемых в биологических синапсах, а именно их поведение при потенцировании и деполяризации нейронов, которые запускаются изменениями количества нейротрансмиттеров. Эти поведения были воспроизведены путем выявления накопления и рассеивания скирмионов, что привело к изменениям веса системы и, следовательно, ее памяти.

До сих пор Ву и его коллеги тестировали производительность своих искусственных синапсов на уровне чипа в серии симуляций. Они обнаружили, что они замечательно работали, особенно в задачах распознавания образов.

В некоторых задачах распознавания образов искусственные синапсы, созданные Ву и его коллегами, достигли точности, сравнимой с точностью, достигнутой другими современными вычислительными инструментами. В будущем эти структуры могли бы позволить разработку новых типов высокопроизводительных искусственных нейронных сетей (ИНС).

«Одним из многих преимуществ скирмионов является то, что они могут иметь очень маленький размерный масштаб – вплоть до одного нанометра – и энергетический масштаб в идеальном материале», – добавил Ву. «Эта характеристика может вскоре значительно снизить энергию работы для нейроморфных вычислительных приложений».