Пластиковые синапсы могут стать альтернативой нейронным сетям

Нейронные сети, особенно по сравнению с мозгом человека или даже любого другого живого существа, не так уж хороши. Ученые пытаются перенять преимущества мозга, отказавшись от его недостатков, но, возможно, они искали не там. По крайней мере, работа нидерландских ученых свидетельствует о том, что единственный способ сделать нейронную сеть похожей на мозг — это принять его недостатки, пишет ArsTechnica.

Мозг обладает двумя чертами, которых нет у неорганического компьютера. Первая — он в высшей степени сопряжен. Каждый нейрон может быть соединен с большим числом других нейронов, и не только с соседними. Это и делает мозг таким мощным вычислительным инструментом. Второе — мозг очень эффективен. Синапс — соединение двух нейронов — потребляет максимум 100 фемтоджоулей за событие, а все тело человека эквивалентно 120-ваттной лампочке. Однако, эти преимущества имеют свою цену. Каждый синапс работает всего несколько раз в секунду. По сравнению с неорганическими устройствами, которые могут переключаться миллионы раз в секунду, это маловато.

Нидерландские ученые разработали новое устройство, похожее на упрощенный синапс. Три молекулы сформировали нечто вроде протяженной окислительно-восстановительной пары. В такой системе, когда подается напряжение, заряд переносится с одной молекулы на другую. Этот заряд отнимает у третьей молекулы водород, и проводимость полимера падает. Отрицательное напряжение обращает этот эффект вспять, перенося водород обратно и повышая проводимость. Преимущества такого подхода в том, что двигаются только водород и электроны, и все происходит гораздо быстрее, чем в традиционных органических мемристорах, которые обычно требуют передвижения всей молекулы.

Второй плюс в том, что проводимость меняется линейно, с атомами водорода, которые могут двигаться только тогда, когда напряжение достигает определенного уровня. Поэтому для изменения проводимости надо только определенное время подавать импульс напряжения. Это легко масштабировать для большого числа молекул в одном устройстве. Именно так и работают синапсы. А поскольку каждая молекула меняет зарядовое состояние только на один электрон, молекулы не взаимодействуют друг с другом. Можно применить много импульсов напряжения, каждый будет менять проводимость полимера на одинаковое значение. Такого рода линейность нужна для облегчения вычислений.

Потребление энергии в изобретенной учеными системе тоже больше похоже на натуральные синапсы. Исследователи смогли добиться энергопотребления, которое в 1000 раз больше, чем у синапса мозга. Исследователи надеются, что смогут сократить его еще больше, уменьшив размер электрода.

В ходе экспериментов ученые отметили, что скорость, с которой напряжение вызывает изменение проводимости, около 14 мс, примерно такая же, как у натурального синапса. То есть, если мы хотим получить энергоэффективный, линейный и стабильный нейрон, нам надо сократить скорость его операций до той, с которой работает наш мозг. Это означает, что для создания настоящего ИИ придется приложить много усилий, чтобы добиться такой же, как у человеческого мозга, взаимосвязанности нейронов.

Ученые Университета Саутгемптона создали экспериментальную нейросеть, которая использует в качестве синапсов мемристоры — резисторы с памятью. Они полагают, что это самый верный путь к созданию искусственных синапсов.