Синтетические синапсы становятся больше похожи на настоящий мозг

Человеческий мозг, потребляя энергию скромного рациона, легко превосходит современные суперкомпьютеры, требующие энергии целой электростанции. Это различие обусловлено множеством состояний процессов в мозге против двух бинарных состояний цифровых процессоров, а также способностью хранить информацию без потребления энергии — энергонезависимой памятью. Эти неэффективности современных компьютеров стимулируют большой интерес к созданию синтетических синапсов, имитирующих работу мозга. Исследователи из Королевского колледжа Лондона сообщают в ACS Nano Letters о создании массива наностержневых устройств, которые имитируют мозг точнее, чем когда-либо прежде. Устройства могут найти применение в искусственных нейронных сетях.

Попытки имитировать биологические синапсы были сосредоточены на мемристорах с разными состояниями сопротивления, которые действуют как память. Однако, в отличие от мозга, всем ранее созданным устройствам для сброса в исходное состояние требовалось напряжение обратной полярности. "В мозге изменение химической среды меняет выходной сигнал", — объясняет Анатолий Заяц, профессор Королевского колледжа Лондона, руководивший исследованием. Его команде удалось продемонстрировать такое же поведение в своих синтетических синапсах.

Команда создала массив золотых наностержней, соединённых полимерным переходом (поли-L-гистидин, PLH) с металлическим контактом. Свет или электрическое напряжение могут возбуждать плазмоны — коллективные колебания электронов. Плазмоны высвобождают горячие электроны в полимер PLH, постепенно меняя его химию и, следовательно, уровни проводимости или светоизлучательной способности. То, как меняется полимер, зависит от того, окружён он кислородом или водородом. Химически инертная азотная среда сохраняет состояние без потребления энергии, что действует как энергонезависимая память.

Переход можно устанавливать и считывать как оптически, так и электрически, или устанавливать одним способом, а считывать другим, что обеспечивает большую универсальность. "Одно преимущество оптического управления — возможность беспроводного переключения и считывания устройства", — говорит Заяц. Выбор между электрическим или оптическим управлением зависит от приложения, но, как он отмечает, было много попыток создать нейроморфные схемы, которые вычисляют, как мозг, и введение оптического переключения или считывания может ускорить вычисления.

Исследователи случайно обнаружили это синапсоподобное поведение полимерного перехода во время экспериментов по созданию наноразмерного источника света. Они построили различные туннельные переходы PLH и заметили, что источник света нестабилен в воздухе или водороде. "Случайно я прочитал статью о синапсах и подумал — это же наш источник света", — говорит Заяц. "Это было совершенно случайно".

Плотность созданных массивов синаптических наностержней впечатляюще близка к синаптической плотности мозга, отставая всего примерно в тысячу раз. Следующая задача — найти способ переключать отдельные наностержни, а не весь массив, что приблизит их к имитации мозга ещё на один шаг.