Исследователи идентифицируют ключевые механизмы и новые материалы для биологической обработки информации

Каждый запрос в поисковой системе, каждый текст, сгенерированный ИИ, и такие разработки, как автономное вождение: в эпоху искусственного интеллекта (ИИ) и больших данных компьютеры и центры обработки данных потребляют много энергии. Напротив, человеческий мозг гораздо более энергоэффективен. Чтобы разработать более мощные и энергосберегающие компьютеры, вдохновленные мозгом, исследовательская группа из отдела материаловедения и электротехники Кильского университета (CAU) определила фундаментальные требования к подходящему оборудованию.

Ученые разработали материалы, которые динамически ведут себя подобно биологическим нервным системам. Их результаты были опубликовано в журнале Материалы сегодня и может привести к новому типу обработки информации в электронных системах.

Обработка информации динамически, а не последовательно.

«Компьютеры обрабатывают информацию последовательно, тогда как наш мозг обрабатывает информацию параллельно и динамически. Это происходит намного быстрее и требует меньше энергии, например, при распознавании образов», — говорит профессор доктор Герман Кольстедт, профессор наноэлектроники и представитель Совместного исследовательского центра 1461. Нейротроника в Кильском университете.

Исследователи хотят использовать природу как источник вдохновения для создания новых электронных компонентов и компьютерных архитектур. В отличие от обычных компьютерных чипов, транзисторов и процессоров, они предназначены для обработки сигналов аналогично постоянно меняющейся сети нейронов и синапсов в нашем мозгу.

«Но компьютеры по-прежнему основаны на кремниевых технологиях. Несмотря на впечатляющий прогресс в аппаратном обеспечении с точки зрения xy, сети нейронов и синапсов остаются непревзойденными с точки зрения связности и надежности», — говорит доктор Александр Валь, ученый-материаловед. Исследования новых материалов и процессов необходимы, чтобы иметь возможность составить карту динамики обработки биологической информации.

Поэтому исследовательская группа сосредоточилась на разработке материалов, которые динамически ведут себя подобно трехмерным биологическим нервным системам. «Динамичность» здесь создается за счет того, что расположение атомов и частиц в материалах может меняться. С этой целью исследователи определили семь основных принципов, которым должно соответствовать компьютерное оборудование, чтобы функционировать аналогично мозгу.

К ним относится, например, определенная степень изменчивости: так называемая пластичность мозга необходима для процессов обучения или памяти. Материалы, разработанные исследователями в ответ на это, соответствуют нескольким из этих основных принципов. Однако «окончательного» материала, выполняющего все, еще не существует.

За пределами классической кремниевой технологии

«Когда мы объединяем эти материалы друг с другом или с другими материалами, мы открываем возможности для компьютеров, которые выходят за рамки традиционной кремниевой технологии», — говорит профессор Райнер Аделунг, профессор функциональных наноматериалов. «Промышленность и общество нуждаются во все большей и большей вычислительной мощности, но такие стратегии, как миниатюризация электроники, сейчас достигают своих технических пределов в стандартных компьютерах. Нашим исследованием мы хотим открыть новые горизонты».

В качестве примера Майк-Иво Тераса, докторант в области материаловедения и один из первых авторов исследования, описывает необычное поведение специальных гранулярных сетей, разработанных исследовательской группой. «Если мы произведем наночастицы серебра и золота определенным образом и приложим электрический сигнал, они проявят особые свойства. Для них характерен баланс между стабильностью и быстрым изменением их проводимости». Аналогично, мозг работает лучше всего, когда существует баланс между пластичностью и стабильностью, известный как критичность.

В трех дальнейших экспериментах исследователи показали, что как наночастицы оксида цинка, так и металлические нити, образованные электрохимическим способом, можно использовать для изменения путей сети посредством электрического входа осцилляторов. Когда исследовательская группа соединила эти цепи, отклонения их электрических сигналов со временем синхронизировались. Нечто подобное происходит во время сознательного сенсорного восприятия электрических импульсов, которые обмениваются информацией между нейронами.