Studiuesit e MIT krijojnë sinapse artificiale 10,000 herë më shpejt se ato biologjike

Studiuesit janë përpjekur të ndërtojnë sinapse artificiale për vite me radhë me shpresën për t’iu afruar performancës së pakrahasueshme llogaritëse të trurit të njeriut. Një qasje e re tani ka arritur të projektojë ato që janë 1000 herë më të vogla dhe 10000 herë më të shpejta se homologët e tyre biologjikë.

Megjithë suksesin e arratisur të të mësuarit të thellë gjatë dekadës së fundit, kjo qasje e frymëzuar nga truri ndaj AI përballet me sfidën që po funksionon në pajisje që ngjajnë pak me trurin e vërtetë. Kjo është një pjesë e madhe e arsyes pse një tru i njeriut që peshon vetëm tre kilogramë mund të marrë detyra të reja në sekonda duke përdorur të njëjtën sasi energjie si një llambë, ndërsa trajnimi i rrjeteve më të mëdha nervore kërkon javë, megavat orë energji elektrike dhe rafte. të përpunuesve të specializuar.

Kjo po nxit interes në rritje në përpjekjet për të ridizajnuar AI-n e harduerit që funksionon. Ideja është që duke ndërtuar çipa kompjuterikë, përbërësit e të cilëve veprojnë më shumë si neurone dhe sinapse natyrore, ne mund të jemi në gjendje t’i afrohemi hapësirës ekstreme dhe efikasitetit energjetik të trurit të njeriut. Shpresa është që këta të ashtuquajtur procesorë “neuromorfikë” mund të jenë shumë më të përshtatshëm për të drejtuar inteligjencën artificiale sesa çipat e sotëm kompjuterik.

Tani studiuesit nga MIT kanë treguar se një dizajn i pazakontë i sinapsit artificial që imiton mbështetjen e trurit në lëvizjen e joneve përreth, në fakt mund të tejkalojë ndjeshëm ato biologjike. Zbulimi kryesor ishte gjetja e një materiali që toleron fusha elektrike ekstreme, gjë që përmirësoi në mënyrë dramatike shpejtësinë me të cilën mund të lëviznin jonet.

“Shpejtësia sigurisht që ishte befasuese,” tha Murat Onen, i cili drejtoi hulumtimin, në një deklaratë për shtyp. “Normalisht, ne nuk do të aplikonim fusha të tilla ekstreme nëpër pajisje, për të mos i kthyer ato në hi. Por në vend të kësaj, protonet [të cilat janë ekuivalente me jonet e hidrogjenit] përfunduan duke lëvizur me shpejtësi të jashtëzakonshme nëpër grupin e pajisjeve, veçanërisht një milion herë më shpejt në krahasim me atë që kishim më parë.

Ndërsa ka një shumëllojshmëri qasjesh për inxhinierinë neuromorfike, një nga më premtueset është llogaritja analoge. Kjo kërkon të projektojë komponentë që mund të shfrytëzojnë fizikën e tyre të brendshme për të përpunuar informacionin, gjë që është shumë më efikase dhe më e drejtpërdrejtë sesa kryerja e operacioneve komplekse logjike siç bëjnë çipat konvencionalë.

Deri më tani, shumë kërkime janë fokusuar në projektimin e “memristorëve” – ​​komponentë elektronikë që kontrollojnë rrjedhën e rrymës bazuar në sasinë e ngarkesës që ka kaluar më parë nëpër pajisje. Kjo imiton mënyrën se si lidhjet midis neuroneve biologjike rriten ose ulen në fuqi në varësi të frekuencës me të cilën ata komunikojnë, që do të thotë se këto pajisje mund të përdoren në parim për të krijuar rrjete me veti të ngjashme me rrjetet nervore biologjike.

Ndoshta çuditërisht, këto pajisje shpesh ndërtohen duke përdorur teknologjitë e kujtesës. Por në një punim të ri në Science, studiuesit e MIT argumentojnë se komponentët e optimizuar për ruajtjen afatgjatë të informacionit nuk janë në të vërtetë të papërshtatshëm për të kryer tranzicionet e rregullta të gjendjes që kërkohen për të rregulluar vazhdimisht forcat e lidhjes në një rrjet nervor artificial. Kjo për shkak se vetitë fizike që sigurojnë kohë të gjata ruajtjeje zakonisht nuk janë komplimente me ato që lejojnë ndërrimin me shpejtësi të lartë.

Kjo është arsyeja pse studiuesit në vend të kësaj kanë projektuar një komponent përçueshmëria e të cilit rregullohet nga futja ose heqja e protoneve në një kanal të bërë nga qelqi fosfosilikat (PSG). Në një farë mase, kjo imiton sjelljen e sinapseve biologjike, të cilat përdorin jonet për të transmetuar sinjale nëpër hendekun midis dy neuroneve.

Megjithatë, këtu përfundojnë ngjashmëritë. Pajisja përmban dy terminale që janë në thelb hyrja dhe dalja e sinapsit. Një terminal i tretë përdoret për të aplikuar një fushë elektrike, e cila stimulon protonet të lëvizin nga një rezervuar në kanalin PSG ose anasjelltas në varësi të drejtimit të fushës elektrike. Më shumë protone në kanal rrisin rezistencën e tij.

Studiuesit dolën me këtë dizajn të përgjithshëm në vitin 2020, por pajisja e tyre e mëparshme përdorte materiale që nuk ishin në përputhje me proceset e projektimit të çipave. Por më e rëndësishmja, kalimi në PSG ka rritur në mënyrë dramatike shpejtësinë e ndërrimit të pajisjes së tyre. Kjo për shkak se poret me madhësi nano në strukturën e tij mundësojnë që protonet të lëvizin shumë shpejt nëpër material, dhe gjithashtu sepse mund t’i rezistojë pulseve shumë të forta të fushës elektrike pa u degraduar.

Fushat elektrike më të fuqishme u japin protoneve një nxitje masive të shpejtësisë dhe janë çelësi për aftësinë e pajisjes për të tejkaluar sinapset biologjike. Në tru, fushat elektrike duhet të mbahen relativisht të dobëta, sepse çdo gjë mbi 1.23 volt (V) bën që uji që përbën pjesën më të madhe të qelizave të ndahet në hidrogjen dhe gaz oksigjen. Kjo është kryesisht arsyeja pse proceset neurologjike ndodhin në shkallën e milisekondave.

Në të kundërt, pajisja e ekipit MIT është e aftë të funksionojë deri në 10 volt në pulse të shkurtra deri në 5 nanosekonda. Kjo lejon që sinapsi artificial të funksionojë 10,000 herë më shpejt se homologët e tij biologjikë. Për më tepër, pajisjet janë vetëm nanometra, duke i bërë ato 1000 herë më të vogla se sinapset biologjike.

Ekspertët i thanë New Scientist se konfigurimi me tre terminale i pajisjes, në krahasim me dy që gjenden në shumicën e modeleve të neuroneve, mund ta bëjë të vështirë funksionimin e llojeve të caktuara të rrjeteve nervore. Fakti që protonet duhet të futen duke përdorur gaz hidrogjen paraqet gjithashtu sfida kur rritet teknologjia.

Ka një rrugë të gjatë për të shkuar nga një sinapsë artificiale individuale në rrjete të mëdha që janë të afta të kryejnë përpunim serioz informacioni. Por shpejtësia e jashtëzakonshme dhe madhësia e vogël e komponentëve sugjerojnë se ky është një drejtim premtues në kërkimin e pajisjeve të reja që mund të përputhen apo edhe të tejkalojnë fuqinë e trurit të njeriut.