• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
28.08.2019
ФизТех
11 687

В МФТИ создали устройство для имитации биологической памяти

4.5

Ученые из МФТИ представили мемристор второго рода на базе оксида гафния. Мемристоры могут стать основой для нейроморфных компьютеров с аналоговой архитектурой, имитирующих обучение биологического мозга.

В МФТИ создали устройство для имитации биологической памяти / ©hydra-journal.ru / Автор: Ptolemocratia Acerronius

Устройство, подобно синапсу в живом мозге, запоминает информацию и естественным образом постепенно забывает те данные, к которым давно не обращались. Статья опубликована в журнале ACS Applied Materials & Interfaces.

Нейроморфные компьютеры, лежащие в основе искусственного интеллекта, воспроизводят устройство мозга. При этом нейроны и связи между ними — синапсы — можно реализовать цифровым или аналоговым способом. В первом случае они представляют собой математические модели, использующие компьютеры с обычной цифровой архитектурой. Во втором случае узлы и связи нейросети — это реальные элементы на микросхеме.

Хотя большинство современных нейрокомпьютеров использует цифровой подход, аналоговая архитектура имеет серьезный потенциал. В теории такие машины могли бы проводить вычисления быстрее и тратить несоизмеримо меньше электроэнергии. Базовый компонент аналоговых нейрокомпьютеров — мемристор.

Это устройство, впервые испытанное в 2008 году, представляет собой ячейку памяти (ср. англ. memory), которая ведет себя как резистор с управляемым сопротивлением. Именно величина сопротивления кодирует информацию в мемристоре, подобно силе синапса между нейронами мозга.

Но живой мозг устроен сложнее: при редкой активации синапсов их сила уменьшается, а при частой — наоборот, увеличивается. Это свойство лежит в основе естественной памяти и обучения. Поэтому мы постепенно забываем образы, к которым мозг редко обращается, а повторение конспекта лекции фиксирует материал в памяти.

В 2015 году был предложен мемристор второго рода, который воспроизводит усиление и ослабление связей между нейронами мозга. Физически естественную память можно реализовать по-разному. Один из вариантов — формирование в мемристоре проводящих ток мостиков из наночастиц. Эти мостики снижают сопротивление, но со временем естественным образом распадаются, что соответствует забыванию информации.

«Недостаток этого решения в том, что в течение работы устройство ощутимо меняет свое поведение, а в какой-то момент не выдерживает и разрушается, — рассказывает ведущий автор исследования Анастасия Чуприк из лаборатории нейровычислительных систем МФТИ. — Мы использовали более надежный механизм, который продемонстрировал впечатляющий запас прочности: после проверки на 100 миллиардов циклов переключения система почти не изменила свои свойства, и коллеги отчаялись исчерпать ресурс ячейки памяти».

Подход научной группы из МФТИ основан на использовании сегнетоэлектрика. Это вещество, которое под действием внешнего электрического поля меняет и затем сохраняет свою электрическую поляризацию, подобно намагниченности железа. Под поляризацией в этом случае понимается распределение связанного заряда в материале.

Исследователи реализовали мемристор второго рода в виде сегнетоэлектрического туннельного перехода — двух электродов, между которыми проложена тонкая пленка сегнетоэлектрика, оксида гафния (рисунок 1, справа). Внешние электрические импульсы контролируют поляризацию пленки в мемристоре, что и определяет его сопротивление.

В МФТИ создали устройство для имитации биологической памяти
Рисунок 1. Слева изображен синапс из живого мозга — прообраз искусственного синапса (справа). Последний представляет собой мемристор, реализованный в виде туннельного сегнетоэлектрического перехода — тонкой пленки оксида гафния (розовый), проложенной между электродом из нитрида титана (синий) и кремния (серый). Кремниевый электрод одновременно играет роль подложки. Внешние электрические импульсы переключают состояния мемристора за счет изменения поляризации оксида гафния и, следовательно, его проводимости / ©Дизайнер: Елена Хавина / Пресс-служба МФТИ

«Самое сложное — подобрать подходящую толщину сегнетоэлектрического слоя, — добавляет Анастасия Чуприк. — Оказалось, для оксида гафния она составляет четыре нанометра. Если сделать пленку всего на нанометр тоньше, то она потеряет сегнетоэлектрические свойства, а если толще — электроны не смогут туннелировать через нее, а именно туннельный ток поддается регулировке через поляризацию».

Оксид гафния — не единственный сегнетоэлектрик, но он имеет важное преимущество перед титанатом бария и другими подобными материалами. Содержащие гафний вещества уже прижились в микроэлектронной промышленности. Например, они с 2007 года используются в микрочипах «Интел». Поэтому внедрение подобных разработок потребует не так много времени и инвестиций, как для нового материала.

Любопытно, что исследователям, по сути говоря, удалось воплотить механизм забывания за счет «несовершенства» материала. Именно дефекты на границе между кремнием и оксидом гафния, которые мешали внедрению этого материала в процессорах, делают возможным затухание проводимости мемристора со временем, воспроизводящее естественную память.

Виталий Михеев, первый автор исследования, поделился планами коллектива: «В будущем мы рассмотрим взаимодействие разных механизмов, которые переключают сопротивление в мемристоре. Оказывается, сегнетоэлектрический эффект может быть не единственным в наших структурах. Поэтому для дальнейшего совершенствования устройств потребуется разделять влияние разных механизмов и уметь их комбинировать».

По словам авторов исследования, они продолжат изучать фундаментальные свойства оксида гафния, чтобы повысить надежность хранения информации в ячейках энергонезависимой памяти. Кроме того, планируется перенос устройств на гибкую подложку для использования в гибкой электронике.

В прошлом году научная группа подробно описала переключение поляризации оксида гафния под действием электрического поля. Именно этот процесс позволяет снижать сопротивление сегнетоэлектрического мемристора, что соответствует усилению синапса в биологическом мозге. Лаборатория нейровычислительных систем также занимается нейрокомпьютерами с цифровой архитектурой.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Вчера, 14:16
Полина Меньшова

Мозг обрабатывает музыку, в иерархическом порядке активируя несколько разных областей. Этот механизм, лежащий в основе способности распознавать известные мелодии по фрагменту и предугадывать дальнейшее звучание, выявили специалисты из Великобритании, Дании и США.

Позавчера, 15:14
Редакция Naked Science

Ожирение за последние 50 лет стало встречаться втрое чаще и заняло устрашающую пятую позицию в причинах смерти. Не отстает от него и диабет второго типа. Исследователи из Мичиганского университета предложили новый метод пятикратного увеличения эффективности в снижении аппетита и потере веса.

Вчера, 11:15
ПНИПУ

22 июля — всемирный день мозга. Ученые Пермского Политеха рассказали, есть ли связь между размером мозга и интеллектом, приводит ли стресс к раку, в каких продуктах содержатся самые полезные для серого вещества компоненты, стоит ли запрещать детям сладкое, чем может навредить медитация и как на состояние мозга влияет экология.

17 июля
Игорь Байдов

Команда китайских инженеров разработала модель магнитоэлектрического генератора, способного эффективно преобразовывать энергию падающих капель в электричество. Устройство может быть полезно для районов с повышенной сезонной влажностью. Разработка ученых в теории выглядит перспективно, но вызывает некоторые вопросы. В частности, пока не ясно, можно ли найти ей практическое применение.

9 часов назад
Татьяна

Исследуя глубоководные сообщества в районе Тихого океана, богатом железомарганцевыми конкрециями, ученые из Великобритании неожиданно обнаружили новый источник кислорода. Теперь они опасаются, что разработка этих месторождений может нарушить сложившиеся экосистемы.

20 июля
Александр Березин

Ровно 55 лет назад США высадили людей на Луне. Почему они, а не мы? Это объясняли и неспособностью создать достаточно мощные двигатели для советской лунной ракеты, и ошибками в проектировании ракеты, и нехваткой финансирования. Все эти версии объединяет одно: они резко противоречат документам. Из них складывается совершенно иная картина проигрыша. Так что же на самом деле погубило советскую лунную программу? И отчего последствия этого удара до сих пор так больно бьют по «Роскосмосу»?

25 июня
Игорь Байдов

Ученые из Китая и Бельгии воссоздали в лаборатории условия, существовавшие на Меркурии четыре миллиарда лет назад, и выяснили, что они были идеальными для образования слоя алмазов, который с течением времени становился лишь толще.

1 июля
Александр Березин

Необычный биологический вид, по оценке авторов новой научной работы, пригоден для заселения четвертой планеты без каких-либо предварительных условий — уже в том виде, в котором он существует сейчас. Поскольку речь идет о фотосинтетическом организме, он способен нарабатывать существенное количество кислорода. Интересно, что кандидат на терраформирование Марса сохранил жизнеспособность после месяца в жидком азоте.

12 июля
Александр Березин

Falcon 9 Block 5 впервые за три сотни запусков дал частично неудачный полет. Ракета выводила 20 спутников компании SpaceX, с 15 связь уже пропала, еще пять могут быть потеряны в ближайшее время.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий
Подтвердить?
Подтвердить?
Причина отклонения
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно