Металлургия компьютера: искусственный «мозг» на квадратном миллиметре
Мозг человека часто сравнивают с компьютером. Машины давно обогнали содержимое черепной коробки в скорости и объеме вычислений, однако ученые продолжают вдохновляться устройством природного «компьютера» при создании машин нового поколения. Разработчиков прельщает принцип передачи информации между синапсами мозга — соединениями между нейронами. Синапс получает сигналы от одного нейрона в виде ионов и отправляет сигнал дальше по цепочке следующему нейрону.
В «искусственном мозге» роль синапсов берут на себя мемристоры. Сопротивление мемристора электрическому току зависит от величины заряда, протекающего через этот элемент. То есть сигнал, который генерирует мемристор, зависит от полученного им сигнала. Это означает, что один мемристор может иметь несколько рабочих значений и выполнять широкий диапазон операций.
Подобно мозговому синапсу, мемристор «запоминает» значение, связанное с данной силой тока. В следующий раз, когда через него пройдет такой же ток, мемристор выдаст этот же сигнал. Чтобы осуществить подобное действие, требуется целая схема из транзисторов и конденсаторов. Мемристоры — гении-одиночки: они не нуждаются в огромном «офисе» и многочисленной «команде единомышленников». Для их работы понадобится гораздо меньше микросхем, чем требуют другие элементы. Машины на базе искусственных «синапсов», по мнению ученых, смогут соперничать с некоторыми суперкомпьютерами и не решать множество бытовых задач без подключения к Интернету.
Звучит прогрессивно и здорово. В чем же подвох? Почему новые компьютеры еще не появились на массовом рынке? Чтобы ответить, приглядимся к мемристору внимательнее.
Мемристор состоит из положительного и отрицательного электродов, разделенных в пространстве. Когда на один электрод подается напряжение, ионы этого электрода идут к другому электроду, образуя ионный канал. Это и есть электрический сигнал, который мемристор передает дальше через схему. Размер ионного канала пропорционален силе стимулирующего напряжения.
Существующие конструкции мемристоров работают хорошо с сильными сигналами, когда ионный канал большой. Но надежность снижается, когда в дело вступают более слабые сигналы, идущие по более тонким каналам. Чем тоньше канал проводимости, тем труднее удерживать ионы вместе. Часть из них покидает группу и распадается в среде. Сигнал, получаемый приемным электродом, отличается от исходного.
Ученые из Массачусетского технологического института придумали, как обойти это ограничение. В статье, опубликованной в журнале Nature Nanotechnology, показано, что сделать передачу сигналов более надежной может техника, позаимствованная в металлургии.
Когда металлурги экспериментируют с новыми сплавами, то добавляют атомы других элементов в кристаллические решетки металлов. Они делают это для того, чтобы улучшить прочностные характеристики сплава и сделать его легче и дешевле. В MIT решили, что подобные «добавки» помогут в работе мемристоров. Осталось найти вещество, атомы которого будут управлять движением ионов между электродами.
В качестве материала для положительного электрода мемристора обычно используют серебро. Элемент, который «дружит» с серебром и эффективно удерживает его ионы вместе — это медь. На положительный серебряный электрод нанесли небольшое количество меди, которое покрыли слоем серебра. Медный «мост» позволил ионам быстро попасть на другой электрод, а ученым — создать микросхему площадью в один квадратный миллиметр с десятками тысяч мемристоров.
Первым испытанием чипа стало воссоздание изображения щита Капитана Америки. Каждый пиксель изображения присвоили соответствующему мемристору в чипе. Затем проводимость каждого мемристора изменили в соответствии с интенсивностью цвета пикселя. Микросхема воспроизводила четкое изображение щита, «запоминала» его и могла воспроизводить много раз, в отличие от микросхем из других материалов.
Разработчики будут и дальше развивать способ передачи сигналов с использованием мемристоров. Команда надеется, что однажды задачи, по сложности не уступающие попиксельной обработке изображений, можно будет решать без обращения к мощностям суперкомпьютеров.