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

Do spełnienia wizji Raya Kurzweila, od niedawna nowegodyrektora inżynierii w Google, znowu bliżej: być może dokońca tej dekady doczekamy się czysto elektronicznej replikiorganicznego mózgu. Badacze z laboratoriów HP znaleźli sposób nato, aby zaprząc wynalezione kilka lat temu memrystory do zbudowaniaukładu elektronicznego, który zachowuje się jak biologiczny neuron(a przynajmniej jego abstrakcyjny model). Powstałe w ten sposóburządzenie – neurystor – przechowuje informacje w podobny doneuronu sposób.O memrystorach zrobiło się bardzo głośno w 2008 roku, kiedy tofizycy z HP Labs opublikowali w „Nature” artykuł o pierwszejfizycznej realizacji memrystora, jednego z podstawowych pasywnychukładów elektronicznych (obok opornika, cewki i kondensatora).Memrystor, którego nazwę utworzono ze złożenia słów memory iresistor, i któregoistnienie zostało przewidziane w latach siedemdziesiątych przezsłynnego Leona Chua, to prawdziwy opornik z pamięcią, który możebyć wykorzystany do przechowywania bitu informacji, bez koniecznościzasilania: kiedy prąd przepływa przez niego w jednym kierunku,oporność elektryczna rośnie, kiedy kierunek prądu zmienia się naprzeciwny, oporność maleje. Kiedy przepływ prądu ustaje,memrystor zachowuje swoją ostatnią oporność, a kiedy zostajewznowiony, oporność obwodu będzie taka, jak w momencie ostatniejjego aktywności. Zastosowania do budowy niezwykle szybkich układówpamięci, nie potrzebujących zasilania, stały się oczywiste. Zanimjednak na rynku pojawiły się memrystorowe pamięci, ludzie z HPLabs pokazali coś jeszcze bardziej zdumiewającego.Jak wiecie, podstawowe elementyukładów nerwowych, w tym naszego mózgu, działają w sposóbodmienny od tranzystorowych przełączników współczesnychkomputerów. Zamiast przyjmować wartości włączony/wyłączony, przejawiają krótkie skoki aktywności, kodując informacje wamplitudzie i okresie takiego skoku. Czyni to emulowanie siecineuronowych na klasycznym komputerowym hardware zadaniem niełatwym –zachowanie każdego neuronu trzeba naśladować programistycznie,albo budując specjalizowane analogowe obwody na tranzystorachpolowych (MOSFET). W software'owych symulacjach wykorzystuje się wtym celu zwykle modelHodgkina-Huxleya, opisujący inicjowanie i propagowaniepotencjałów czynnościowych neuronu za pomocą zbioru nieliniowychrównań różniczkowych. Nie jest to oczywiście jedyny modelneuronu, nie uwzględnia on licznych czynników, takich jak geometriadentrytów i aksonów, zmiany temperatur czy nawet zależnościpotencjału czynnościowego od lokalnych zgrubień membran – alejest na tyle dobry, że wykorzystano go m.in. w symulatorzeSPAUN, wykorzystującym sieć 2,5 mln neuronów do ujęcia wieluaspektów neuroanatomii, neurofizjologii, a nawet psychologiiobserwowanych w realnych mózgach.[img=neurystor]O wiele lepiej byłoby jednakmieć układ elektroniczny, który byłby fizycznym odpowiednikiemneuronu, przejawiającym skoki aktywności. I taki właśnie układzaprezentowali w najnowszym wydaniu Nature Materials uczeni z HPLabs, Matthew Pickett, Gilberto Medeiros-Ribeiro i Stanley Williams.W artykule „Ascalable neuristor built with Mott memristors” opisują układo chwytliwej nazwie „neurystor”, zbudowany z memrystorów ikondensatorów, który wykazuje charakterystyczne dla neuronów skokiaktywności, i który teoretycznie można by produkować w dużychilościach, być może od razu na krzemowej płytce.Kluczowym elementemtej konstrukcji jest memrystor – wykonany z dwutlenku niobuizolatorMotta, czyli materiał zachowujący się jak dielektryk, któryjednak wg teorii pasmowej powinien przewodzić prąd (przewodnictwojest blokowane ze względu na oddziaływania międzyelektronowe).Oddziaływania te maleją jednak wraz ze wzrostem temperatury, a więcpodgrzanie izolatora Motta może zamienić go w przewodnik. Wukładzie z HP Labs źródłem ciepła jest sama oporność tlenkuniobu – przykładając do niego napięcie, staje się onopornikiem, zaczyna się podgrzewać, by w pewnym momencie zamienićsię w przewodnik. Przewodząc prąd, ochładza się, co w pewnymmomencie ponownie zamienia go w opornik.Dwa takie memrystoryreprezentują odpowiednio kanał sodowy i kanał potasowy, czylibiałka błonowe przepuszczające w neuronie jony w kontrolowanysposób zgodnie z ich gradientem stężeń przez błony komórki.Kiedy następuje skok aktywności neuronu, otwiera się kanałsodowy, pozwalając jonom dostać się do komórki nerwowej i zmienićładunki na jej membranie. Następnie odwiera się kanał sodowy,„wypuszczając” jony i wyłączając układ. W elektronicznymodpowiedniku każdy z memrystorów, odpowiadających za nagłewyładowanie ładunku, jest połączony z kondensatorem, pozwalającymzgromadzić ładunek elektryczny. Odpowiednie ich połączeniezapewnia neuronopodobne skoki aktywności po przekroczeniugranicznego napięcia.Twórcy układutestują obecnie inne niż dwutlenek niobu izolatory Motta, którepozwoliłyby na zmniejszenie zużycia energii przez neurystor –obecne rozwiązanie nie pozwala na umieszczenie zbyt wielu takichjednostek w czipie. Izolatorów takich jest jednak niemało, tomiędzy innymi tlenek miedzi. Na koniec ciekawostka:na dobrą sprawę nikt nie wie, dlaczego izolatory Motta zachowująsię w taki sposób, a próby wyjaśnienia takiego zachowania sięgajądo nawet tak karkołomnych pomysłów jak modelowanie ich za pomocągrawitacjiw ujemnie zakrzywionej czasoprzestrzeni (ładunki w układziekwantowym miałyby odpowiadać grawitacyjnym osobliwościom). Przytakich wyjaśnieniach, fanom newage'owych „interpretacji”mechaniki kwantowej, niewiele brakuje, by przyznać, że„świadomość”, czy też „duch”, mogłyby zamieszkać wmaszynie zbudowanej z neurystorów.