Модные и умные нейроморфы

Искусственный синапс. Графеновая 2D-сетка используется как регулятор в синапсе между пресинаптическим бутоном, внутри которого расположены розовые везикулы, с нейромедиатором и шипиком. Иллюстрация Physorg

Римляне учились у греков, поэтому в латыни много слов, позаимствованных у древних греков. Одно из них – «морфа»: образ, обращение. И мало кто мог подумать, что слово станет очень популярным у современных электронщиков, вынужденных искать решения многих накопившихся проблем с помощью… нейробиологов.

Долгие десятилетия начиная с конца 50-х прошлого века морфологи, то есть ученые, занимающиеся изучением биологических структур и образований на клеточном уровне, пытались разобраться с синапсами, представляющими собой точки межнейрональных контактов. Довольно поздно к биологам пришло осознание того факта, что нейрон представляет собой типичный транзистор, название которого представляет собой соединение слов «трансфер» и «резистор».

Вот и у нервной клетки есть вход-эмиттер и выход-коллектор («сток»), а также пропускные «ворота» (gate), или база. Эти структурные элементы представлены древовидными отростками – дендритами, «выходным» аксоном и генерирующим сигнал-импульс телом нейрона. Аксон на своем конце образует небольшое расширение (bouton), к мембране которого доставляются по аксону пузырьки-везикулы с нейротрансмиттерами – химическими передатчиками нервных сигналов.

При поступлении возбуждающих ионов кальция везикулы открываются, и медиаторы нейронного импульса поступают в синаптическую щель. На противоположном ее краю расположены белковые рецепторы нейромедиаторов, встроенные в оболочку постсинаптического шипика (cone). Соединение этих шипиков способствует прохождению сигнала в другую клетку и распространение его по нейросетям.

Ничего подобного нельзя вообразить при использовании кремниевых чипов, обрабатывающих цифровую информацию. Это давно уже не устраивает электронщиков. Дело в том, что они сталкиваются с проблемой, которую породил ученый венгерского происхождения Джон фон Нейман. Увлекавшийся квантовой физикой Нейман приложил руку к созданию ЭВМ, исходным элементом которых были ТВ-трубки, генерировавшие сигнал, сохранявшийся на магнитную ленту.

Так исторически были разнесены процессор и память, к которой процессор был вынужден постоянно обращаться. И по сей день по этому пути перегоняются большие массивы данных. Ничего подобного нет в мозге, нейроны которого обрабатывают информацию и хранят ее в памяти. Поэтому мы, находясь в здравом уме и светлой памяти до глубокой старости, мгновенно вспоминаем все, что нам нужно, не загружая при этом функционалы нейросетей.

Неудивительно, что ученые сегодня обращают свои взоры в сторону нейроморфных компьютеров, на основе которых будут строиться антропоморфные роботы.

Сотрудники Технического университета в датском г. Линби предложили коллегам «дорожную карту», в которой описали перспективы создания нейроморфных компьютеров. Об этом писал журнал Neuromorphic Computer Engineering в 2020 году.

Датчанам в начале августа нынешнего года ответил Институт электронных материалов в немецком Аахене, сотрудники которого вместе со швейцарскими коллегами из Цюриха использовали в своих экспериментах хорошо известные мемристоры. Принцип их действия заключается в изменении сопротивления при возрастании вольтажа-напряжения, что позволяет одновременно сохранять изменение в памяти. Тем самым снимается проблема фон Неймана, генерируется искусственный синапс и уменьшается расход энергии, большая часть которой в чипах рассеивается в виде тепла. Немаловажно также и резкое ускорение передачи и обработки информации, особенно если учесть нанометровые размеры мемристоров. Результаты работы опубликованы в журнале Nature. Журнал пишет, что предложенные устройства имели основой оксиды металлов и обеспечивали движение ионов кислорода.

Другой хороший источник электронов – светопоглощающий гексагональный нитрид пора (HBN). Он имеет ту же 2D-структуру, что и графен. Нитрид бора использовали в университете Пурдью (США). Монослойную полоску, на которую действовали микроволновым излучением, положили на золотую подложку, после чего осветили лазером. Нитрид бора и золото поглощали свет. При этом в благородном металле генерировалась плазмонная волна «объединившихся» электронов. Это усиливало квантовую чувствительность, чему способствовало и приложенное внешнее магнитное поле.

Пока такие нанометровые тонкопленочные сенсоры не выходят за пределы лабораторий. Но тем не менее миниатюризация позволила сотрудникам Калифорнийского технологического института в Лос-Анджелесе создать портативный электрохимический биосенсор. Наклеиваемый на кожу плеча, запаянный в пластик сенсор анализирует состав выделяемого человеком пота, определяет в нем аминокислоты. Это позволяет в режиме реального времени осуществлять мониторинг метаболизма и передавать информацию на компьютер. У диабетиков или сердечников при этом резко снижается риск развития метаболического синдрома. Ведь появляется возможность корректировать состояние человека с помощью вводимых или потребляемых метаболитов с большой точностью.