Исследователи создали искусственный синапс, который работает целиком на свету — без единого электрического сигнала. Устройство имитирует функции биологических нейронных связей, обрабатывает изображения прямо в момент съёмки и достигает точности 95,99% при распознавании рукописных цифр. Впервые восприятие, память и вычисление объединены в одном полностью оптическом элементе. Статья ведущего автора Юэ Яня (Y. Yan) с соавторами опубликована в журнале Advanced Photonics.
Проблема, которую решает устройство, фундаментальна. Современный ИИ постоянно гоняет данные между памятью и процессором — это «узкое место фон Неймана», ограничивающее скорость и раздувающее энергопотребление. Мозг устроен иначе: синапс одновременно хранит и обрабатывает сигнал, усиливая или ослабляя его в зависимости от предшествующей активности. Большинство попыток воспроизвести этот принцип в «железе» до сих пор использовали электричество хотя бы на одном этапе. Новое устройство обходится без него полностью.
Кристалл, который помнит свет
В основе — редкоземельный кристалл с длительным послесвечением. При облучении часть носителей заряда излучает фотоны сразу, а часть «застревает» в ловушечных состояниях кристаллической решётки и высвобождается позже. Соотношение между немедленным и отложенным откликом зависит от истории облучения — кристалл буквально «помнит», каким светом его освещали прежде.
Авторы продемонстрировали два ключевых режима синаптической пластичности:
- Потенцирование (PPF): ультрафиолет заполняет ловушки, и второй импульс вызывает более сильный отклик — сигнал усиливается.
- Депрессия (PPD): ближний инфракрасный свет опустошает ловушки, и второй импульс ослабевает — сигнал подавляется.
- Управление только светом: переключение между режимами задаётся длиной волны и таймингом импульсов, без электрических контуров.
- Математическая модель: авторы описали динамику захвата и высвобождения носителей, что позволяет точно настраивать отклик устройства.
Камера, которая думает в момент съёмки
Для практической демонстрации оптический синапс совместили с кремниевым сенсором, создав прототип нейроморфной камеры. Сильные сигналы удерживаются в ловушках дольше, слабый шум затухает быстрее — устройство повышает контраст и подавляет шум прямо в сенсоре, без цифровой постобработки.
На тесте MNIST (рукописные цифры) нейросеть с оптическим синапсом показала точность 95,99%, тогда как без встроенного шумоподавления — лишь 78%. Разрыв в 18 процентных пунктов подтверждает: объединение восприятия и обработки в одном элементе радикально эффективнее раздельных конвейеров. Текущее ограничение — скорость (миллисекунды–секунды), но авторы указывают на возможность ускорения через миниатюризацию и модификацию состава кристалла.
Читайте также: Технологическая революция по-китайски: как небинарные HSN-чипы меняют будущее всего мира
Потенциальные области применения — робототехника, автономный транспорт, периферийные IoT-устройства и любые системы, где требуется быстрая обработка визуальных данных при ограниченном энергоснабжении.