Los ingenieros del MIT han diseñado un "cerebro en un chip", más pequeño que una pieza de confeti, que está hecho de decenas de miles de sinapsis cerebrales artificiales conocidas como memristors, componentes basados en silicio que imitan la transmisión de informaciónsinapsis en el cerebro humano.
Los investigadores tomaron prestados principios de la metalurgia para fabricar cada memristor de aleaciones de plata y cobre, junto con silicio. Cuando pasaron el chip a través de varias tareas visuales, el chip pudo "recordar" las imágenes almacenadas y reproducirlas muchas veces, en versiones que eran más nítidas y limpias en comparación con los diseños existentes de memristor hechos con elementos sin alear.
Sus resultados, publicados hoy en la revista Nanotecnología de la naturaleza , demuestre un nuevo y prometedor diseño de memristor para dispositivos neuromórficos: componentes electrónicos que se basan en un nuevo tipo de circuito que procesa la información de una manera que imita la arquitectura neuronal del cerebro. Tales circuitos inspirados en el cerebro podrían construirse en dispositivos pequeños y portátiles, y llevaría a cabo tareas computacionales complejas que solo las supercomputadoras de hoy pueden manejar.
"Hasta ahora, las redes de sinapsis artificiales existen como software. Estamos tratando de construir hardware de red neuronal real para sistemas de inteligencia artificial portátiles", dice Jeehwan Kim, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT. "Imagine conectar un dispositivo neuromórfico a uncámara en su automóvil, y hacer que reconozca luces y objetos y tome una decisión de inmediato, sin tener que conectarse a Internet. Esperamos usar memristores de eficiencia energética para realizar esas tareas en el sitio, en tiempo real ".
iones errantes
Memristors, o transistores de memoria, son un elemento esencial en la computación neuromórfica. En un dispositivo neuromórfico, un memristor serviría como transistor en un circuito, aunque su funcionamiento se asemejaría más a una sinapsis cerebral: la unión entre dos neuronas.La sinapsis recibe señales de una neurona, en forma de iones, y envía una señal correspondiente a la siguiente neurona.
Un transistor en un circuito convencional transmite información al cambiar entre uno de los dos únicos valores, 0 y 1, y hacerlo solo cuando la señal que recibe, en forma de corriente eléctrica, es de una fuerza particular. En contraste,un memristor funcionaría a lo largo de un gradiente, como una sinapsis en el cerebro. La señal que produce variará según la intensidad de la señal que reciba. Esto permitiría que un solo memristor tenga muchos valores y, por lo tanto, lleve a cabogama más amplia de operaciones que los transistores binarios.
Al igual que una sinapsis cerebral, un memristor también podría "recordar" el valor asociado con una intensidad de corriente dada y producir exactamente la misma señal la próxima vez que reciba una corriente similar. Esto podría garantizar que la respuesta a un complejoLa ecuación, o la clasificación visual de un objeto, es confiable, una hazaña que normalmente involucra múltiples transistores y condensadores.
En última instancia, los científicos prevén que los memristors requerirían mucho menos espacio en chip que los transistores convencionales, lo que permitiría dispositivos informáticos portátiles y potentes que no dependen de supercomputadoras, o incluso conexiones a Internet
Los diseños de memristor existentes, sin embargo, tienen un rendimiento limitado. Un solo memristor está hecho de un electrodo positivo y negativo, separado por un "medio de conmutación" o espacio entre los electrodos. Cuando se aplica un voltaje a un electrodo, los ionesdesde ese electrodo fluye a través del medio, formando un "canal de conducción" hacia el otro electrodo. Los iones recibidos forman la señal eléctrica que el memristor transmite a través del circuito. El tamaño del canal iónico y la señal que el memristor finalmente produce debe ser proporcional a la fuerza del voltaje estimulante.
Kim dice que los diseños de memristor existentes funcionan bastante bien en casos en los que el voltaje estimula un gran canal de conducción, o un fuerte flujo de iones de un electrodo a otro. Pero estos diseños son menos confiables cuando los memristors necesitan generar señales más sutiles, a través de un diluyentecanales de conducción.
Cuanto más delgado es un canal de conducción, y más liviano es el flujo de iones de un electrodo a otro, más difícil es para los iones individuales permanecer juntos. En cambio, tienden a alejarse del grupo, disolviéndose dentro del medio.Como resultado, es difícil que el electrodo receptor capture de manera confiable la misma cantidad de iones y, por lo tanto, transmita la misma señal cuando se estimula con un cierto rango bajo de corriente.
Préstamo de metalurgia
Kim y sus colegas encontraron una forma de evitar esta limitación al tomar prestada una técnica de la metalurgia, la ciencia de fundir metales en aleaciones y estudiar sus propiedades combinadas.
"Tradicionalmente, los metalúrgicos intentan agregar diferentes átomos en una matriz masiva para fortalecer los materiales, y pensamos, por qué no ajustar las interacciones atómicas en nuestro memristor y agregar algún elemento de aleación para controlar el movimiento de iones en nuestro medio", Kimdice.
Los ingenieros generalmente usan plata como material para el electrodo positivo de un memristor. El equipo de Kim buscó en la literatura para encontrar un elemento que pudieran combinar con plata para mantener efectivamente unidos los iones de plata, mientras les permitía fluir rápidamente a través del otro electrodo.
El equipo aterrizó en cobre como el elemento de aleación ideal, ya que puede unirse tanto con plata como con silicio.
"Actúa como una especie de puente y estabiliza la interfaz plata-silicio", dice Kim.
Para hacer memristors usando su nueva aleación, el grupo primero fabricó un electrodo negativo de silicio, luego hizo un electrodo positivo depositando una pequeña cantidad de cobre, seguido de una capa de plata. Emparejaron los dos electrodos alrededor de un silicio amorfode esta manera, modelaron un chip de silicio de un milímetro cuadrado con decenas de miles de memristores.
Como primera prueba del chip, recrearon una imagen en escala de grises del escudo del Capitán América. Igualaron cada píxel de la imagen con un memristor correspondiente en el chip. Luego modularon la conductancia de cada memristor que era relativa enfuerza al color en el píxel correspondiente.
El chip produjo la misma imagen nítida del escudo, y fue capaz de "recordar" la imagen y reproducirla muchas veces, en comparación con chips hechos de otros materiales.
El equipo también ejecutó el chip a través de una tarea de procesamiento de imágenes, programando los memristores para alterar una imagen, en este caso de Killian Court del MIT, de varias maneras específicas, incluyendo el enfoque y el desenfoque de la imagen original. Nuevamente, su diseño produjo el reprogramadoimágenes más confiables que los diseños existentes de memristor.
"Estamos usando sinapsis artificiales para hacer pruebas de inferencia reales", dice Kim. "Nos gustaría desarrollar esta tecnología aún más para tener matrices a mayor escala para realizar tareas de reconocimiento de imágenes. Y algún día, podría ser capaz de llevaralrededor de cerebros artificiales para hacer este tipo de tareas, sin conectarse a las supercomputadoras, Internet o la nube ".
Esta investigación fue financiada, en parte, por los fondos del Comité de Apoyo a la Investigación del MIT, el Laboratorio de IA MIT-IBM Watson, el Laboratorio de Investigación Global de Samsung y la Fundación Nacional de Ciencias.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Jennifer Chu. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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