Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST han creado un chip de silicio que distribuye señales ópticas con precisión a través de una cuadrícula similar a un cerebro en miniatura, mostrando un nuevo diseño potencial para redes neuronales.
El cerebro humano tiene miles de millones de neuronas células nerviosas, cada una con miles de conexiones con otras neuronas. Muchos proyectos de investigación informática tienen como objetivo emular el cerebro mediante la creación de circuitos de redes neuronales artificiales. Pero la electrónica convencional, incluido el cableado eléctrico de los semiconductorescircuitos, a menudo impide el enrutamiento extremadamente complejo requerido para redes neuronales útiles.
El equipo del NIST propone utilizar la luz en lugar de la electricidad como medio de señalización. Las redes neuronales ya han demostrado un poder notable para resolver problemas complejos, incluido el reconocimiento rápido de patrones y el análisis de datos. El uso de la luz eliminaría la interferencia debida a la carga eléctrica ylas señales viajarían más rápido y más lejos.
"Las ventajas de Light podrían mejorar el rendimiento de las redes neuronales para el análisis de datos científicos, como la búsqueda de planetas similares a la Tierra y la ciencia de la información cuántica, y acelerar el desarrollo de sistemas de control altamente intuitivos para vehículos autónomos", dijo el físico del NIST Jeff Chiles.
Una computadora convencional procesa información a través de algoritmos o reglas codificadas por humanos. Por el contrario, una red neuronal se basa en una red de conexiones entre elementos de procesamiento, o neuronas, que pueden ser entrenados para reconocer ciertos patrones de estímulos. Un neuronal o neuromórficola computadora consistiría en un sistema grande y complejo de redes neuronales.
Descrito en un nuevo artículo, el chip NIST supera un desafío importante para el uso de señales de luz al apilar verticalmente dos capas de guías de ondas fotónicas, estructuras que confinan la luz en líneas estrechas para enrutar señales ópticas, de la misma manera que los cables envían señales eléctricas.Este diseño tridimensional 3D permite esquemas de enrutamiento complejos, que son necesarios para imitar sistemas neuronales. Además, este diseño se puede ampliar fácilmente para incorporar capas de guía de ondas adicionales cuando sea necesario para redes más complejas.
Las guías de ondas apiladas forman una cuadrícula tridimensional con 10 entradas o neuronas "aguas arriba" conectadas cada una a 10 salidas o neuronas "aguas abajo", para un total de 100 receptores. Fabricadas en una oblea de silicio, las guías de ondas están hechas de nitruro de silicioy cada uno tiene 800 nanómetros nm de ancho y 400 nm de espesor. Los investigadores crearon un software para generar automáticamente el enrutamiento de señales, con niveles ajustables de conectividad entre las neuronas.
La luz láser se dirigió al chip a través de una fibra óptica. El objetivo era enrutar cada entrada a cada grupo de salida, siguiendo un patrón de distribución seleccionado para la intensidad de la luz o la potencia. Los niveles de potencia representan el patrón y el grado de conectividad en el circuito.Los autores demostraron dos esquemas para controlar la intensidad de salida: uniforme cada salida recibe la misma potencia y una distribución de "curva de campana" en la que las neuronas medias reciben la mayor potencia, mientras que las neuronas periféricas reciben menos.
Para evaluar los resultados, los investigadores tomaron imágenes de las señales de salida. Todas las señales se enfocaron a través de una lente de microscopio en un sensor semiconductor y se procesaron en marcos de imagen. Este método permite analizar muchos dispositivos al mismo tiempo con alta precisión.la salida fue altamente uniforme, con bajas tasas de error, lo que confirma una distribución de potencia precisa
"Realmente hemos hecho dos cosas aquí", dijo Chiles. "Hemos comenzado a usar la tercera dimensión para permitir una mayor conectividad óptica, y hemos desarrollado una nueva técnica de medición para caracterizar rápidamente muchos dispositivos en un sistema fotónico".Ambos avances son cruciales a medida que comenzamos a escalar a sistemas neuronales optoelectrónicos masivos ".
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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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