Команда лаборатории «Нейроэлектроника и мемристивные
наноматериалы» Института нанотехнологий, электроники и
приборостроения ЮФУ получает новые материалы для элементной базы
нейроморфной электроники. В качестве активного слоя в искусственных
синапсах нейропроцессоров будущего, возможно, будут использоваться
пленки ниобата лития (LiNbO 3).
В любом современном компьютере или смартфоне есть процессор —
универсальное устройство, созданное для выполнения программ. Принципы
работы традиционного процессора были заложены еще в сороковых годах
прошлого века и с тех пор не особо менялись: CPU считывает команды и
выполняет их по одному за цикл работы. На современных процессорах этих
циклов может быть несколько миллиардов в секунду, и за счет этого
человеку кажется, что его компьютер выполняет множество задач
одновременно, но он все же выполняет их по очереди.
Нейроморфные процессоры работают кардинально иначе — они повторяют
структуру человеческого мозга, который действительно многозадачен.
Недавно подобный процессор запустила в серийное производство российская
компания «Касперский», так что нейроморфная электроника — больше не
научная фантастика. Однако эта технология еще очень нуждается в новых
исследованиях и открытиях, способных многократно увеличить ее
эффективность.
В Южном федеральном университете этим фронтиром научных
исследований занимается лаборатория «Нейроэлектроника и мемристивные
наноматериалы» (Нейромена). Совсем недавно младший научный сотрудник
этой лаборатории Даниил Хахулин выступил на «Школе молодых ученых»
в рамках Всероссийского форума «Микроэлектроника-2023». Его доклад
признали лучшим среди молодых ученых России в секции «Искусственный
интеллект, цифровые двойники и нейроподобные системы», работа была
посвящена ниобату лития как перспективному нейроморфному материалу.
«Несмотря на внешние различия, фундаментально интегральные цепи и мозг
очень похожи: и в той, и в другой системе информация представлена в виде
заряда, прохождение которого ограничивается энергетическими барьерами
и направляется модуляцией проводящих каналов», — рассказал Даниил
Хахулин.
Базовым элементом в человеческом мозге является нейрон, или нервная
клетка. Между собой нейроны связаны при помощи синапсов. Несколько
десятков миллиардов нейронов составляют сложную самообучающуюся
систему, до которой пока что далеко любому компьютеру. В вычислительной
технике самым мелким «кирпичиком» считается транзистор: таких
микроскопических элементов в типичном процессоре компьютера или
смартфона имеется несколько миллиардов. Дисциплина, известная как
нейроморфный инжиниринг, уже несколько десятилетий ставит перед собой
задачу воспроизвести, хотя бы частично, структуру человеческого мозга в
виде электронных схем.
При этом большинство специалистов в мире сошлись во мнении, что самым
лучшим материалом для создания нейроморфного процессора — компьютера
с «нейронами» и «синапсами» — является оксид гафния. Результаты
исследований лаборатории «Нейромена» Южного федерального
университета показывают, что в некоторых случаях имеет смысл
рассматривать и другие материалы.
«Пленки ниобата лития (LiNbO 3 ), полученные методом импульсного
лазерного осаждения, по ряду параметров отвечают тем же требованиям,
что и другие материалы для синаптических устройств. Если продолжать
эксперименты с этим соединением, получать всё новые композиты на его
основе, то с большой вероятностью мы однажды получим материал,
превосходящий аналоги, и нейроморфные процессоры будут производиться
из него», — подчеркнул Даниил Хахулин.
Ученые ЮФУ уже имеют на руках не только образцы нового материала, но и
инновационные методики управления его состоянием. Изменяя ток,
напряжение и длительность импульса, сотрудники лаборатории «Нейромена»
ИНЭП ЮФУ научились контролировать сопротивление и пластичность
ниобата лития.
«Ряд материалов снискал больше внимания исследователей в решении задач
нейроморфной микроэлектроники в первую очередь благодаря сочетанию
оптимальных электрофизических свойств и технологичности. Однако это
не исключает поиска новых материалов для повышения эксплуатационных
характеристик конечных устройств нейроэлектроники. Главным
преимуществом и одновременно недостатком наших пленок LiNbO 3
является высокое сопротивление. Однако гибкость технологии импульсного
лазерного осаждения позволяет нам получать композитные пленки,
варьируя концентрацию примеси как по толщине пленки, так и по её
поверхности. Это открывает путь к поиску композита на основе LiNbO 3 с
наилучшим сочетанием свойств применительно к задачам нейроморфной
электроники», — подытожил Даниил Хахулин.
Лаборатория «Нейроэлектроника и мемристивные наноматериалы»
(Нейромена) создана в рамках проекта мегагрантов и отвечает задачам
стратегического проекта ЮФУ «Интеллектуальные технологии управления и
обработки информации в перспективных роботизированных комплексах и
гибридных системах» федеральной программы «Приоритет-2030» (нацпроект
«Наука и университеты»). Ее фундаментальной целью является разработка
элементной базы гибридных нейроморфных систем на основе
биосовместимых мемристивных наноматериалов и композитов на их основе.
По словам ученых, разработки лаборатории могут найти применение в
робототехнических системах, нейропроцессорной компьютерной
архитектуре нового поколения и везде, где есть возможность внедрения
систем искусственного интеллекта.
Фото: центр общественных коммуникаций
Южного федерального университета
Нет комментариев