Kunstmatige neuronen kunnen net zo efficiënt zijn als het menselijk brein

• MIT-onderzoekers hebben een kunstmatig neuron ontworpen van supergeleidende nanodraden.
• In theorie kan een eenvoudig circuit van dergelijke neuronen net zo efficiënt werken als het menselijk brein.
• Het netwerk kan honderd biljoen synaptische bewerkingen per seconde per watt uitvoeren.

Het meest fascinerende computerapparaat dat de wetenschap kent, is het menselijk brein. Het kan verschillende complexe operaties uitvoeren met behulp van groepen van een enkel onderdeel - het neuron.

In tegenstelling tot moderne CPU's die met gigahertz-snelheden werken, werken de hersenen met een kloksnelheid van slechts enkele hertz. Het voert echter triljoenen berekeningen per seconde [parallel] uit, waardoor mensen met gemak complexe dingen kunnen doen die traditionele computers nog moeten bereiken:converseren, lopen, autorijden, enzovoort.

Vergeleken met de huidige computerapparatuur, verbruikt ons brein heel weinig energie om deze taken uit te voeren. Daarom proberen onderzoekers de computerprestaties van het menselijk brein na te bootsen met behulp van efficiënte neurale netwerken. Hoewel traditionele microprocessors kunnen worden geprogrammeerd om te werken als neurale netwerken, gebruiken ze buitensporige hoeveelheden computerbronnen en energie.

Om dit probleem aan te pakken, hebben computerwetenschappers van MIT een idee bedacht:maak kunstmatige neuronen en koppel ze aan elkaar in menselijke hersenachtige netwerken. Om dit ontwerp te implementeren, hebben ze een kunstmatig neuron ontworpen van supergeleidende nanodraden.

Het apparaat gemaakt van dergelijke kunstmatige neuronen kan net zo efficiënt werken als het menselijk brein (althans in theorie).

Belangrijkste kenmerken van een kunstmatig neuron

Biologische neuronen genereren elektrische pieken om informatie te coderen, die langs de lengte van de zenuw reizen. De informatie wordt doorgegeven aan een ander neuron via synapsen (een verbinding tussen twee zenuwcellen).

De andere neuronen kunnen deze informatie doorgeven of blokkeren. Ze kunnen zich inderdaad gedragen als logische poorten, waarbij één uitgang wordt gegenereerd als reactie op meerdere ingangen.

Deze neuronen vuren niet tenzij de inkomende elektrische puls een bepaalde drempelwaarde overschrijdt. Ze kunnen pas weer vuren als er een bepaalde tijd is verstreken, wat de refractaire periode wordt genoemd.

Bron:arXiv:1907.00263

De nieuwe supergeleidende nanodraden bootsen al deze kenmerken van biologische neuronen na. Ze hebben een vreemde niet-lineaire eigenschap die ervoor zorgt dat de supergeleiding van de nanodraad kapot gaat wanneer er een stroom doorheen stroomt die hoger is dan een drempelniveau.

Dit gebeurt door de plotselinge toename van de weerstand, die een spanningspuls creëert analoog aan de elektrische piek in het biologische neuron. Het kan worden gebruikt om een ​​andere puls te moduleren die wordt gegenereerd door een tweede nanodraad, waardoor de simulatie nog nauwkeuriger wordt.

Bron afbeelding:Adobe Stock 

Een eenvoudig circuit gemaakt van nanodraden kan dus belangrijke kenmerken van neuronen nabootsen, waaronder de activeringsdrempel, reistijd (kan worden aangepast door de circuiteigenschappen af ​​te stemmen) en refractaire periode.

Energie-efficiëntie en beperkingen

De energie-efficiëntie van dergelijke supergeleidende circuits kan worden vergeleken met die van biologische neurale netwerken. Volgens het onderzoeksteam kan hun voorgestelde kunstmatige neurale netwerk ongeveer honderd biljoen synaptische bewerkingen per seconde per watt uitvoeren.

De simulaties lijken veelbelovend. Als het succesvol is, kan het een zeer concurrerende technologie zijn in termen van snelheid en kracht. Het ontwerp kan een grootschalige neuromorfe processor mogelijk maken die kan worden getraind als een neuraal netwerk met spikes om complexe taken uit te voeren, zoals patroonherkenning.

Lezen:Nieuwe elektronische huid kan menselijke tastzin hebben

Net als andere concepten heeft het zijn eigen beperkingen:de supergeleidende neuronen kunnen worden gekoppeld aan slechts een paar andere neuronen. Terwijl biologische neuronen verbinding maken met duizenden andere neuronen. Voorlopig is het slechts een ontwerp dat een proof-of-principle-demonstratie nodig heeft.