Nieuwe 'Artificial Synapses' Pave Way Voor Brain-Like Computers

{h1}

Een op de hersenen geïnspireerde computercomponent biedt de meest getrouwe navolging van verbindingen tussen neuronen in het menselijk brein, zeggen onderzoekers.

Een op de hersenen geïnspireerde computercomponent biedt de meest getrouwe navolging van verbindingen tussen neuronen in het menselijk brein, zeggen onderzoekers.

De zogenaamde memristor, een elektrische component waarvan de weerstand afhangt van hoeveel lading er in het verleden doorheen is gegaan, bootst de manier na waarop calciumionen zich gedragen op de kruising tussen twee neuronen in het menselijk brein, aldus de studie. Dat knooppunt staat bekend als een synaps. De onderzoekers zeiden dat het nieuwe apparaat zou kunnen leiden tot aanzienlijke vooruitgang in op de hersenen geïnspireerde - of neuromorfe - computers, die veel beter zouden kunnen zijn in perceptuele en leertaken dan traditionele computers, evenals veel energie-efficiënter.

"In het verleden hebben mensen apparaten zoals transistors en condensatoren gebruikt om de synaptische dynamiek te simuleren, wat kan werken, maar die apparaten lijken nauwelijks op echte biologische systemen. Het is dus niet efficiënt om het op die manier te doen, en het resulteert in een grotere apparaatoppervlak, groter energieverbruik en minder trouw, "zei studieleider Joshua Yang, hoogleraar elektrische en computertechnologie aan de Universiteit van Amherst. [10 dingen die je niet wist over de hersenen]

Eerder onderzoek heeft gesuggereerd dat het menselijk brein ongeveer 100 miljard neuronen en ongeveer 1 quadriljoen (1 miljoen miljard) synapsen heeft. Een door de hersenen geïnspireerde computer zou idealiter ontworpen zijn om de enorme rekenkracht en efficiëntie van de hersenen na te bootsen, hebben wetenschappers gezegd.

"Met de synaptische dynamiek die door ons apparaat wordt geboden, kunnen we de synaps op een meer natuurlijke manier, directer en met meer trouw nastreven," vertelde hij WordsSideKick.com. "Je simuleert niet alleen één type synaptische functie, maar [ook] andere belangrijke functies en krijgt feitelijk meerdere synaptische functies."

Het menselijk brein nabootsen

In biologische systemen, wanneer een zenuwimpuls een synaps bereikt, worden kanalen geopend waardoor calciumionen in de synaps terechtkomen. Dit veroorzaakt de afgifte van hersenchemicaliën die bekend staan ​​als neurotransmitters die de opening tussen de twee zenuwcellen overbruggen en de impuls doorgeven aan het volgende neuron.

De nieuwe "diffusieve memristor" beschreven in de studie bestaat uit zilveren nanodeeltjesclusters ingebed in een siliciumoxynitridefilm die tussen twee elektroden is ingeklemd.

De film is een isolator, maar wanneer een spanningspuls wordt toegepast, zorgt een combinatie van verwarming en elektrische krachten ervoor dat de clusters breken. Nanodeeltjes diffunderen door de film en vormen uiteindelijk een geleidend filament dat de stroom van de ene elektrode naar de andere voert. Zodra de spanning is verwijderd, daalt de temperatuur en komen de nanodeeltjes weer samen in clusters.

Omdat dit proces erg lijkt op hoe calciumionen zich gedragen in biologische synapsen, kan het apparaat kortstondige plasticiteit nabootsen in neuronen, aldus de onderzoekers. Treinen van laagspanningspulsen op hoge frequenties zullen de geleidbaarheid van het apparaat geleidelijk verhogen totdat er een stroom door kan gaan, maar als de pulsen doorgaan, zal deze geleidbaarheid uiteindelijk afnemen. [Super-intelligente machines: 7 Robotic Futures]

De onderzoekers combineerden ook hun diffusie-memristor met een zogenaamde drift-memristor, die eerder op elektrische velden dan op diffusie is gebaseerd en die is geoptimaliseerd voor geheugenapplicaties. Hierdoor konden de wetenschappers een vorm van langetermijnplasticiteit vertonen, spike-timing-dependent plasticity (STDP) genaamd, die de verbindingssterkte tussen neuronen aanpast op basis van de timing van impulsen.

Eerdere studies hebben zelf driftmemristoren gebruikt om de calciumdynamiek te benaderen. Maar deze memristors zijn gebaseerd op fysieke processen die heel anders zijn dan die in biologische synapsen, wat hun trouw en de verscheidenheid aan mogelijke synaptische functies beperkt, zei Yang.

"De diffusie-memristor helpt de drift-type memristor zich net zo te gedragen als een echte synaps," zei Yang. "De combinatie van deze twee leidt ons naar een natuurlijke demonstratie van STDP, een zeer belangrijke leerlijn voor het leren van plasticiteit op de lange termijn."

Het nauwkeurig reproduceren van synaptische plasticiteit is essentieel voor het maken van computers die kunnen werken zoals de hersenen. Yang zei dat dit wenselijk is omdat de hersenen veel compacter en energie-efficiënter zijn dan traditionele elektronica, maar ook beter zijn in dingen als patroonherkenning en leren. "Het menselijk brein is nog steeds de meest efficiënte computer die ooit is gebouwd", voegde hij eraan toe.

Hoe het te bouwen

Yang zei dat zijn groep fabricageprocessen gebruikt die vergelijkbaar zijn met die welke worden ontwikkeld door computergeheugenbedrijven om de productie van memristoren op te schalen. Niet al deze processen kunnen zilver als een materiaal gebruiken, maar ongepubliceerd onderzoek door het team laat zien dat koperen nanodeeltjes in plaats daarvan kunnen worden gebruikt, zei Yang.

Hypothetisch zou het apparaat nog kleiner gemaakt kunnen worden dan een menselijke synaps, omdat het belangrijkste deel van het apparaat slechts 4 nanometer meet, zegt Yang. (Ter vergelijking: een gemiddelde haarlok is ongeveer 100.000 nanometer breed.) Dit zou de apparaten veel efficiënter kunnen maken dan traditionele elektronica voor het bouwen van op de hersenen geïnspireerde computers, voegde Yang eraan toe. Traditionele elektronica heeft ruwweg 10 transistors nodig om één synaps te simuleren.

Het onderzoek is de meest complete demonstratie van een kunstmatige synaps tot nu toe in termen van de verscheidenheid aan functies waartoe het in staat is, zei neuromorfische computing-expert Ilia Valov, een senior wetenschapper aan het Peter Grunberg Institute in het Jülich Research Center in Duitsland.

Hij zei dat de aanpak zeker schaalbaar is en dat systemen met één eenheid zeker in staat moeten zijn om de schaal van biologische synapsen te bereiken. Maar hij voegde eraan toe dat bij apparaten met meerdere systemen de apparaten waarschijnlijk groter moeten zijn vanwege praktische overwegingen bij het maken van een groter systeem.

De bevindingen van de studie werden vandaag online gepubliceerd (26 september) in het tijdschrift Nature Materials.

Oorspronkelijk artikel over WordsSideKick.com.


Video Supplement: .




WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2019 WordsSideKick.com