Чтобы нейросети работали быстрее и потребляли меньше энергии, полупроводники должны научиться хранить данные прямо в вычислительных блоках, и корейские инженеры нашли способ делать это с помощью обычного водорода.
Исследовательская группа из Подразделения нанотехнологий Университета науки и технологий Тэгу (DGIST) под руководством Ли Хен Джуна и Но Хи Ён сделала важный шаг в области микроэлектроники. Им удалось создать первый в мире искусственный интеллект на основе полупроводника, который работает всего с двумя выводами. Уникальность этой разработки в том, что устройство управляет водородом с помощью электрических сигналов, при этом оно способно обучаться самостоятельно и сохранять информацию.
Современные компьютеры, которые нужны для работы сложных нейросетей, сталкиваются с фундаментальной проблемой. В них блоки вычислений и блоки памяти физически разделены, и данные приходится постоянно перегонять туда-сюда. Это приводит к двум неприятным последствиям: падению скорости работы и огромному расходу энергии. Инженеры давно ищут выход и возлагают надежды на так называемые нейроморфные полупроводники. Их идея в том, чтобы копировать принцип работы человеческого мозга, где вычисления и запоминание происходят одновременно, в одном и том же месте.
Сердце такого полупроводника — это искусственный синапс. По сути, это крошечный переключатель, который меняет свою проводимость под действием сигнала и сохраняет это состояние. Именно над этим звеном и работала команда, сделав ставку на водород. Раньше в оксидных материалах для памяти полагались на перемещение кислородных вакансий, то есть дефектов кристаллической решетки. Однако у этого подхода оказалась слабая сторона — устройства получались нестабильными в долгосрочной перспективе, и характеристики от одного экземпляра к другому сильно различались. Корейские ученые обошли эту трудность, разработав собственный метод, который позволяет с высокой точностью управлять движением ионов водорода (H⁺) при помощи электрического поля.
Здесь кроется ключевое достижение: эту технологию удалось впервые в мире реализовать в двухконтактной вертикальной конструкции. Такая геометрия — настоящая находка для создателей будущих чипов. Она позволяет размещать элементы гораздо плотнее, а сам процесс производства становится проще и дешевле, что критически важно для высокоплотных систем искусственного интеллекта. Раньше никому не удавалось в вертикальной структуре настолько точно настроить движение водорода, чтобы полноценно выполнять алгоритмы ИИ.
Созданный прибор показал впечатляющую надежность. Он выдержал более десяти тысяч циклов перезаписи без потери производительности, а записанное состояние не стиралось даже после длительного хранения. Но главное — ученые подтвердили, что устройство обладает аналоговыми характеристиками, то есть его проводимость можно плавно повышать или понижать. Это позволяет имитировать поведение биологических синапсов, которые тоже не просто включаются и выключаются, а меняют свою силу постепенно, обеспечивая обучение и запоминание.
Старший научный сотрудник Ли Хен Джун подчеркнул, что ценность их работы не ограничивается созданием очередного полупроводникового прототипа. По его словам, они представили совершенно новый механизм резистивного переключения, который опирается на миграцию водорода, и это кардинально отличается от всего, что делалось на основе кислородных вакансий.
Ассоциированный исследователь Но Хи Ён добавила, что их группа впервые смогла электрическим способом управлять перемещением атомов водорода между слоями полупроводника. Она отметила, что это исследование проливает свет на механизмы такого перемещения и, вероятно, приведет к полной смене архитектуры компьютерных систем для ИИ. В итоге это ускорит приход эры маломощных и высокоэффективных нейроморфных устройств нового поколения.
Работа велась при поддержке Министерства науки и информационно-коммуникационных технологий, Национального исследовательского фонда Кореи и самого университета. К проекту также подключились команда профессора Ли Син Бома из DGIST, старший исследователь Ли Мен Джэ и группа профессора У Джи Ёна из Университета Кенпук. Результаты опубликованы в журнале ACS Applied Materials & Interfaces.
Ранее ученые создали транзистор, который меньше греется и быстрее работает.