Ученые из Национального института стандартов и технологий США создали первый полноценный аналог синапсов клеток головного мозга, используя сверхпроводники и наборы магнитов, что открывает дорогу для создания сложных сетей из миллионов и миллиардов искусственных нейронов.
"Созданные нами синапсы требуют меньше энергии для своей работы, чем их человеческие аналоги, и пока, насколько я знаю, не существует ни одного другого проекта аналогичного рода, который бы мог бы работать в таком режиме", — заявил Майкл Шнайдер из Национального института стандартов и технологий США в Боулдере.
Синапсы, или нервные окончания, представляют собой особые структуры на поверхности нервных клеток, которые позволяют им передавать информацию в соседние нейроны, обмениваясь с ними особыми молекулами-нейротрансмиттерами.
В синапсах расположено множество "мешочков" с подобными веществами, которые они передают в соседние нейроны при поступлении соответствующей "команды" от других клеток. Как недавно выяснили ученые, настоящие нейроны, в отличие от транзисторов и рукотворных аналогов нервных клеток, могут одновременно передавать и тормозящие, и возбуждающие сигналы и "переключаться" между разными режимами, что придает им невероятную гибкость в работе.
Другой необычной особенностью синапсов, отличающей их от цифровой компьютерной логики, является то, что каждое подобное окончание имеет определенный порог чувствительности, ниже которого клетка игнорирует поступающие в нее сигналы. В роли этого порога выступает число "мешочков" и рецепторов в синапсе – чем их больше, тем сильнее клетка будет реагировать на сигналы.
Эта особенность нервных окончаний, как отмечает Шнайдер, является самой сложной для копирования и "переноса" в железо – все существующие варианты реализации подобного порога активации делают искусственные нейроны в сотни и десятки тысяч раз менее эффективными, чем клетки человеческого мозга. По этой причине все существующие варианты "искусственного мозга" состоят из нескольких сотен или тысяч "клеток" или же они не полностью копируют все свойства нейронов и синапсов.
Основой их киберсинапса выступает так называемый переход Джозефсона – кольцо из сверхпроводникового материала, разорванное в одной точке и разделенное на две части вставкой из изолирующего материала. Электроны, как обнаружили ученые еще в 1973 году, могут "перепрыгивать" эту вставку благодаря квантовому туннелированию, и их число при этом очень сильно зависит от того, есть ли в окрестностях подобного разрыва источники магнитных полей.
Это свойство сегодня часто используется при создании сверхчувствительных датчиков магнетизма и квантовых компьютеров, и ученые задумались, нельзя ли его применить для создания структуры, имитирующей работу синапса. Для реализации этой идеи ученые заполнили пустое пространство в "петле" каждого перехода Джозефсона особыми наночастицами из марганца, обладающими необычными магнитными свойствами.
Их необычность заключается в том, что они могут менять положение своих полюсов при одновременном пропускании тока и магнитного поля через "синапс". Эти изменения, в свою очередь, меняют то, как подобный сверхпроводящий киберсинапс реагирует на источники магнитных полей во время обработки данных. Это позволяет очень быстро и гибко менять структуру нейросети и тратить минимальное количество энергии на ее перепрограммирование.
Как показали первые опыты Шнайдера и его коллег, подобная конструкция тратит всего 1 аттоджоуль (10 в минус 18 степени джоуля) на передачу одного импульса, что примерно в 10 тысяч раз меньше, чем то количество энергии, которую тратят нейроны даже с учетом того, как много электричества расходуется на охлаждение сверхпроводника почти до абсолютного нуля.
Это, как считают создатели этих киберсинапсов, позволяет использовать их для создания сверхсложных нейросетей и нейроморфных чипов, не уступающих в сложности мозгу человека и содержащие в себе миллиарды миллиардов синапсов.