Los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST han construido un interruptor superconductor que "aprende" como un sistema biológico y podría conectar procesadores y almacenar memorias en futuras computadoras que funcionan como el cerebro humano.
El interruptor NIST, descrito en Avances científicos , se llama sinapsis, al igual que su contraparte biológica, y proporciona una pieza faltante para las llamadas computadoras neuromórficas. Consideradas como un nuevo tipo de inteligencia artificial, tales computadoras podrían aumentar la percepción y la toma de decisiones para aplicaciones tales comoconducir automóviles y diagnóstico de cáncer.
Una sinapsis es una conexión o un cambio entre dos células cerebrales. La sinapsis artificial del NIST, un cilindro metálico rechoncho de 10 micrómetros de diámetro, es muy real porque puede procesar picos eléctricos entrantes para personalizar las señales de salida de picos. Este procesamiento esbasado en un diseño interno flexible que puede ser ajustado por la experiencia o su entorno. Cuanto más dispare entre células o procesadores, más fuerte será la conexión. Tanto las sinapsis reales como las artificiales pueden mantener viejos circuitos y crear nuevos. Incluso mejor que el realLo que ocurre es que la sinapsis del NIST puede dispararse mucho más rápido que el cerebro humano, mil millones de veces por segundo, en comparación con las 50 veces por segundo de una célula del cerebro, utilizando solo una bocanada de energía, aproximadamente una décima parte de la sinapsis humana.En términos técnicos, la energía de picos es inferior a 1 attojulio, menor que la energía de fondo a temperatura ambiente y a la par con la energía química que une dos átomos en una molécula.
"La sinapsis del NIST tiene menores necesidades de energía que la sinapsis humana, y no conocemos ninguna otra sinapsis artificial que use menos energía", dijo el físico del NIST Mike Schneider.
La nueva sinapsis se usaría en computadoras neuromórficas hechas de componentes superconductores, que pueden transmitir electricidad sin resistencia y, por lo tanto, serían más eficientes que otros diseños basados en semiconductores o software. Los datos se transmitirían, procesarían y almacenarían en unidades deflujo magnético: se han desarrollado dispositivos superconductores que imitan las células cerebrales y las líneas de transmisión, pero hasta ahora, las sinapsis eficientes, una pieza crucial, se han perdido.
El cerebro es especialmente poderoso para tareas como el reconocimiento de contexto porque procesa datos tanto en secuencia como simultáneamente y almacena recuerdos en sinapsis en todo el sistema. Una computadora convencional procesa datos solo en secuencia y almacena memoria en una unidad separada.
La sinapsis del NIST es una unión de Josephson, utilizada durante mucho tiempo en los estándares de voltaje del NIST. Estas uniones son un sándwich de materiales superconductores con un aislante como relleno. Cuando una corriente eléctrica a través de la unión excede un nivel llamado corriente crítica, los picos de voltaje sonLa sinapsis utiliza electrodos de niobio estándar, pero tiene un relleno único hecho de racimos de manganeso a nanoescala en una matriz de silicio.
Los nanoclusters - aproximadamente 20,000 por micrómetro cuadrado - actúan como pequeños imanes de barra con "giros" que pueden orientarse de manera aleatoria o coordinada.
"Estas son uniones Josephson personalizadas", dijo Schneider. "Podemos controlar el número de nanoclusters apuntando en la misma dirección, lo que afecta las propiedades superconductoras de la unión".
La sinapsis descansa en un estado superconductor, excepto cuando se activa por la corriente entrante y comienza a producir picos de voltaje. Los investigadores aplican pulsos de corriente en un campo magnético para aumentar el orden magnético, es decir, el número de nanoclusters que apuntan en la misma dirección.Este efecto magnético reduce progresivamente el nivel de corriente crítico, lo que facilita la creación de un conductor normal y produce picos de voltaje.
La corriente crítica es la más baja cuando todos los nanoclusters están alineados. El proceso también es reversible: los pulsos se aplican sin un campo magnético para reducir el orden magnético y elevar la corriente crítica. Este diseño, en el que diferentes entradas alteran la alineación del giroy las señales de salida resultantes, es similar a cómo funciona el cerebro.
El comportamiento de Synapse también se puede ajustar cambiando la forma en que se fabrica el dispositivo y su temperatura de funcionamiento. Al hacer que los nanoclusters sean más pequeños, los investigadores pueden reducir la energía del pulso necesaria para aumentar o disminuir el orden magnético del dispositivo. Elevar ligeramente la temperatura de funcionamiento desdemenos 271.15 grados C menos 456.07 grados F a menos 269.15 grados C menos 452.47 grados F, por ejemplo, da como resultado picos de voltaje más y más altos.
Crucialmente, las sinapsis se pueden apilar en tres dimensiones 3-D para crear grandes sistemas que podrían usarse para la informática. Los investigadores del NIST crearon un modelo de circuito para simular cómo funcionaría dicho sistema.
La combinación de la sinapsis NIST de pequeño tamaño, señales súper rápidas, bajas necesidades de energía y capacidad de apilamiento en 3D podría proporcionar los medios para un sistema neuromórfico mucho más complejo que el que se ha demostrado con otras tecnologías, según el documento.
El trabajo fue apoyado por el Programa de Complejidad de Computación Criogénica de la Actividad de Proyectos de Investigación Avanzada de Inteligencia.
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Materiales proporcionado por Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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