Нидерландский физик Майкл Верхаге из Технического университета Эйндховена совершил открытие, которое может навсегда изменить облик вычислительной техники: он выяснил, что хаотичные скачки тока в кристалле дихалькогенида тантала, который используется в электронике, при обычной комнатной температуре идеально копируют поведение нервной клетки. Исследование опубликовано на сайте Университета.
В своих экспериментах ученый показал, что микроскопический «шум» в атомной решетке материала воспроизводит знаменитую модель LIF (от англ. leaky integrate‑and‑fire — «утечка, накопление и сброс»). Именно по такому принципу биологический нейрон копит электрический заряд до критического порога, а затем разряжается резким импульсом.
Чтобы разобраться в механизме, ученый применил сканирующий микроскоп и изучал поведение кристалла под напряжением. При подаче всего 200 милливольт внутри соединения возникали острые токовые всплески. Анализ продемонстрировал, что эти «искры» образуют последовательности с «тяжелыми хвостами» распределения и обладают внутренней временной памятью — а это математически соответствует тому, как генерируются импульсы в коре головного мозга живых существ.
Физическая природа этого эффекта, по словам Верхаге, кроется в перестройке так называемой волны зарядовой плотности — особого упорядоченного состояния электронов внутри кристалла. Эта структура по своему устройству напоминает фрактал: под внешним воздействием она сдвигается каскадами, словно горная лавина, и именно эти резкие скачки порождают мощные туннельные всплески электричества.
Ранее инженеры уже создавали на основе похожих материалов осцилляторы для нейросетей, но те работали с макроскопическими токами, усредняющими свойства кристалла. Новое исследование доказывает: сложная нейронная динамика может возникать сама собой. Для развития микроэлектроники такие двумерные структуры открывают захватывающие перспективы — они позволяют проектировать сверхэкономичные нейроморфные чипы, которым не требуется дорогостоящее охлаждение до криогенных температур. В будущем такие чипы могут стать основой для процессора, который не греется и потребляет энергию как пачка нейронов.
Впрочем, автор работы подчеркивает: пока исследование ограничилось лишь базовым измерением физического тока, а не сборкой готового вычислительного модуля. Чтобы превратить наблюдение в рабочий инструмент, инженерам предстоит интегрировать этот атомарный шум в реальные электронные схемы и проверить, насколько стабильно такие искусственные нейроны будут вести себя при длительной эксплуатации. Тем не менее, первый и самый важный шаг сделан — ученые знают, где искать ключ к созданию компьютеров, которые будут «думать» как живые.
Ранее в России повысили надежность процессоров для суперкомпьютеров.
