Искусственные нейроны могут быть столь же эффективны, как и человеческий мозг

• Исследователи Массачусетского технологического института разработали искусственный нейрон из сверхпроводящих нанопроволок.
• Теоретически простая цепь из таких нейронов может работать так же эффективно, как человеческий мозг.
• Сеть может выполнять сто триллионов синаптических операций в секунду на ватт.

Самое интересное вычислительное устройство, известное науке, - это человеческий мозг. Он может выполнять различные сложные операции с помощью групп из одного компонента - нейрона.

В отличие от современных процессоров, работающих на гигагерцовых частотах, мозг работает на тактовой частоте всего в несколько герц. Однако он выполняет триллионы вычислений в секунду [параллельно], что позволяет людям с легкостью выполнять сложные задачи, которых еще не удалось достичь традиционным компьютерам:разговаривать, ходить, управлять автомобилем и т. Д.

По сравнению с современными вычислительными устройствами наш мозг потребляет очень мало энергии для выполнения этих задач. Поэтому исследователи пытаются имитировать вычислительную мощность человеческого мозга с помощью эффективных нейронных сетей. Хотя традиционные микропроцессоры можно запрограммировать так, чтобы они действовали как нейронные сети, они используют чрезмерное количество вычислительных ресурсов и энергии.

Чтобы решить эту проблему, компьютерные ученые из Массачусетского технологического института пришли к идее:создать искусственные нейроны и связать их вместе в сети, подобные человеческому мозгу. Для реализации этой конструкции они разработали искусственный нейрон из сверхпроводящих нанопроволок.

Устройство из таких искусственных нейронов может работать так же эффективно, как человеческий мозг (по крайней мере, теоретически).

Основные характеристики искусственного нейрона

Биологические нейроны генерируют электрические импульсы для кодирования информации, которые перемещаются по длине нерва. Информация передается другому нейрону через синапсы (соединение между двумя нервными клетками).

Другие нейроны могут передавать или блокировать эту информацию. Действительно, они могут вести себя как логические вентили, генерируя один выход в ответ на несколько входов.

Эти нейроны не срабатывают, если входящий электрический импульс не превышает некоторого порогового значения. Они не могут стрелять снова, пока не пройдет определенное время, которое называется рефрактерным периодом.

Источник:arXiv:1907.00263

Новые сверхпроводящие нанопроволоки имитируют все эти особенности биологических нейронов. У них есть странное нелинейное свойство, которое позволяет сверхпроводимости нанопроволоки разрушаться, когда через нее протекает ток, превышающий пороговый уровень.

Это происходит из-за внезапного увеличения сопротивления, которое создает импульс напряжения, аналогичный электрическому всплеску в биологическом нейроне. Его можно использовать для модуляции другого импульса, генерируемого второй нанопроволокой, что делает моделирование еще более точным.

Источник изображения:Adobe Stock

Таким образом, простая схема, состоящая из нанопроволок, может имитировать основные характеристики нейронов, включая порог срабатывания, время прохождения (можно регулировать путем настройки свойств схемы) и рефрактерный период.

Энергоэффективность и ограничения

Энергетическая эффективность таких сверхпроводящих цепей может быть сопоставима с энергоэффективностью биологических нейронных сетей. По данным исследовательской группы, предложенная ими искусственная нейронная сеть может выполнять около ста триллионов синаптических операций в секунду на ватт.

Моделирование кажется многообещающим. В случае успеха это может быть высококонкурентная технология с точки зрения скорости и мощности. Эта конструкция может позволить создать крупномасштабный нейроморфный процессор, который можно обучить как нейронную сеть с пиками для выполнения сложных задач, таких как распознавание образов.

Прочтите:Новая электронная кожа может иметь ощущение прикосновения, подобное человеческому

Как и другие концепции, у него есть свои ограничения:сверхпроводящие нейроны могут быть связаны только с несколькими другими нейронами. Между тем, биологический нейрон соединяется с тысячами других нейронов. На данный момент это всего лишь проект, требующий демонстрации принципа действия.