r   e   k   l   a   m   a
r   e   k   l   a   m   a

Kolejny krok w stronę sztucznego mózgu: „neurony” na memrystorach

Strona główna Aktualności

Do spełnienia wizji Raya Kurzweila, od niedawna nowego dyrektora inżynierii w Google, znowu bliżej: być może do końca tej dekady doczekamy się czysto elektronicznej repliki organicznego mózgu. Badacze z laboratoriów HP znaleźli sposób na to, aby zaprząc wynalezione kilka lat temu memrystory do zbudowania układu elektronicznego, który zachowuje się jak biologiczny neuron (a przynajmniej jego abstrakcyjny model). Powstałe w ten sposób urządzenie – neurystor – przechowuje informacje w podobny do neuronu sposób.

O memrystorach zrobiło się bardzo głośno w 2008 roku, kiedy to fizycy z HP Labs opublikowali w „Nature” artykuł o pierwszej fizycznej realizacji memrystora, jednego z podstawowych pasywnych układów elektronicznych (obok opornika, cewki i kondensatora). Memrystor, którego nazwę utworzono ze złożenia słów memory i resistor, i którego istnienie zostało przewidziane w latach siedemdziesiątych przez słynnego Leona Chua, to prawdziwy opornik z pamięcią, który może być wykorzystany do przechowywania bitu informacji, bez konieczności zasilania: kiedy prąd przepływa przez niego w jednym kierunku, oporność elektryczna rośnie, kiedy kierunek prądu zmienia się na przeciwny, oporność maleje. Kiedy przepływ prądu ustaje, memrystor zachowuje swoją ostatnią oporność, a kiedy zostaje wznowiony, oporność obwodu będzie taka, jak w momencie ostatniej jego aktywności. Zastosowania do budowy niezwykle szybkich układów pamięci, nie potrzebujących zasilania, stały się oczywiste. Zanim jednak na rynku pojawiły się memrystorowe pamięci, ludzie z HP Labs pokazali coś jeszcze bardziej zdumiewającego.

Jak wiecie, podstawowe elementy układów nerwowych, w tym naszego mózgu, działają w sposób odmienny od tranzystorowych przełączników współczesnych komputerów. Zamiast przyjmować wartości włączony/wyłączony, przejawiają krótkie skoki aktywności, kodując informacje w amplitudzie i okresie takiego skoku. Czyni to emulowanie sieci neuronowych na klasycznym komputerowym hardware zadaniem niełatwym – zachowanie każdego neuronu trzeba naśladować programistycznie, albo budując specjalizowane analogowe obwody na tranzystorach polowych (MOSFET). W software'owych symulacjach wykorzystuje się w tym celu zwykle model Hodgkina-Huxleya, opisujący inicjowanie i propagowanie potencjałów czynnościowych neuronu za pomocą zbioru nieliniowych równań różniczkowych. Nie jest to oczywiście jedyny model neuronu, nie uwzględnia on licznych czynników, takich jak geometria dentrytów i aksonów, zmiany temperatur czy nawet zależności potencjału czynnościowego od lokalnych zgrubień membran – ale jest na tyle dobry, że wykorzystano go m.in. w symulatorze SPAUN, wykorzystującym sieć 2,5 mln neuronów do ujęcia wielu aspektów neuroanatomii, neurofizjologii, a nawet psychologii obserwowanych w realnych mózgach.

O wiele lepiej byłoby jednak mieć układ elektroniczny, który byłby fizycznym odpowiednikiem neuronu, przejawiającym skoki aktywności. I taki właśnie układ zaprezentowali w najnowszym wydaniu Nature Materials uczeni z HP Labs, Matthew Pickett, Gilberto Medeiros-Ribeiro i Stanley Williams. W artykule „A scalable neuristor built with Mott memristors” opisują układ o chwytliwej nazwie „neurystor”, zbudowany z memrystorów i kondensatorów, który wykazuje charakterystyczne dla neuronów skoki aktywności, i który teoretycznie można by produkować w dużych ilościach, być może od razu na krzemowej płytce.

Kluczowym elementem tej konstrukcji jest memrystor – wykonany z dwutlenku niobu izolator Motta, czyli materiał zachowujący się jak dielektryk, który jednak wg teorii pasmowej powinien przewodzić prąd (przewodnictwo jest blokowane ze względu na oddziaływania międzyelektronowe). Oddziaływania te maleją jednak wraz ze wzrostem temperatury, a więc podgrzanie izolatora Motta może zamienić go w przewodnik. W układzie z HP Labs źródłem ciepła jest sama oporność tlenku niobu – przykładając do niego napięcie, staje się on opornikiem, zaczyna się podgrzewać, by w pewnym momencie zamienić się w przewodnik. Przewodząc prąd, ochładza się, co w pewnym momencie ponownie zamienia go w opornik.

Dwa takie memrystory reprezentują odpowiednio kanał sodowy i kanał potasowy, czyli białka błonowe przepuszczające w neuronie jony w kontrolowany sposób zgodnie z ich gradientem stężeń przez błony komórki. Kiedy następuje skok aktywności neuronu, otwiera się kanał sodowy, pozwalając jonom dostać się do komórki nerwowej i zmienić ładunki na jej membranie. Następnie odwiera się kanał sodowy, „wypuszczając” jony i wyłączając układ. W elektronicznym odpowiedniku każdy z memrystorów, odpowiadających za nagłe wyładowanie ładunku, jest połączony z kondensatorem, pozwalającym zgromadzić ładunek elektryczny. Odpowiednie ich połączenie zapewnia neuronopodobne skoki aktywności po przekroczeniu granicznego napięcia.

Twórcy układu testują obecnie inne niż dwutlenek niobu izolatory Motta, które pozwoliłyby na zmniejszenie zużycia energii przez neurystor – obecne rozwiązanie nie pozwala na umieszczenie zbyt wielu takich jednostek w czipie. Izolatorów takich jest jednak niemało, to między innymi tlenek miedzi.

Na koniec ciekawostka: na dobrą sprawę nikt nie wie, dlaczego izolatory Motta zachowują się w taki sposób, a próby wyjaśnienia takiego zachowania sięgają do nawet tak karkołomnych pomysłów jak modelowanie ich za pomocą grawitacji w ujemnie zakrzywionej czasoprzestrzeni (ładunki w układzie kwantowym miałyby odpowiadać grawitacyjnym osobliwościom). Przy takich wyjaśnieniach, fanom newage'owych „interpretacji” mechaniki kwantowej, niewiele brakuje, by przyznać, że „świadomość”, czy też „duch”, mogłyby zamieszkać w maszynie zbudowanej z neurystorów.

r   e   k   l   a   m   a
© dobreprogramy
r   e   k   l   a   m   a
r   e   k   l   a   m   a

Komentarze

r   e   k   l   a   m   a
r   e   k   l   a   m   a
Czy wiesz, że używamy cookies (ciasteczek)? Dowiedz się więcej o celu ich używania i zmianach ustawień.
Korzystając ze strony i asystenta pobierania wyrażasz zgodę na używanie cookies, zgodnie z aktualnymi ustawieniami przeglądarki.