Supergeleidende nanodraad neuronen bereiken menselijke hersenefficiëntie

• MIT-onderzoekers hebben een kunstmatige neuron ontworpen van supergeleidende nanodraden.
• In theorie kan een simpel circuit van zulke neuronen even efficiënt werken als de menselijke hersenen.
• Het netwerk kan honderd biljoen synaptische operaties per seconde per watt uitvoeren.

Het meest fascinerende computatie-apparaat bekend bij de wetenschap is de menselijke hersenen. Het kan diverse complexe operaties uitvoeren met de hulp van groepen van een enkel component – de neuron.

In tegenstelling tot moderne CPU's die op gigahertz snelheden draaien, werkt de hersenen op een kloksnelheid van slechts een paar hertz. Toch voert het biljoenen berekeningen per seconde uit [in parallel], wat mensen in staat stelt complexe dingen met gemak te doen die traditionele computers nog niet kunnen: converseren, lopen, rijden, enz.

In vergelijking met de huidige computervoorzieningen trekt onze hersenen heel weinig energie om deze taken uit te voeren. Daarom proberen onderzoekers de computatieprestaties van de menselijke hersenen na te bootsen met efficiënte neurale netwerken. Hoewel traditionele microprocessoren geprogrammeerd kunnen worden om als neurale netwerken te fungeren, gebruiken ze excessive hoeveelheden computationele bronnen en energie.

Om dit probleem aan te pakken, hebben computerwetenschappers van MIT een idee bedacht: kunstmatige neuronen creëren en ze samenvoegen in menselijke hersen-achtige netwerken. Om dit ontwerp te implementeren, hebben ze een kunstmatige neuron ontworpen van supergeleidende nanodraden.

Het apparaat gemaakt van zulke kunstmatige neuronen kan even efficiënt werken als de menselijke hersenen (tenminste in theorie).

Hoofdkenmerken van een kunstmatige neuron

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

De andere neuronen kunnen deze informatie doorgeven of blokkeren. Inderdaad, ze kunnen zich gedragen als logische poorten, één output genererend in reactie op meerdere inputs.

Deze neuronen vuren niet tenzij de binnenkomende elektrische puls een bepaalde drempelwaarde overschrijdt. Ze kunnen niet opnieuw vuren totdat een specifiek bedrag aan tijd is verstreken, wat de refractaire periode genoemd wordt.

Bron: arXiv:1907.00263

De nieuwe supergeleidende nanodraden nabootsen al deze kenmerken van biologische neuronen. Ze hebben een vreemde niet-lineaire eigenschap die de supergeleidheid van de nanodraad laat afbreken wanneer een stroom hoger dan een drempelniveau doorheen vloeit.

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

Afbeeldingsbron: Adobe Stock

Dus kan een simpel circuit van nanodraden de belangrijkste kenmerken van neuronen nabootsen, inclusief de vuurdrempel, reistijd (kan aangepast worden door schakelingseigenschappen te tunen), en refractaire periode.

Energie-efficiëntie en beperkingen

De energie-efficiëntie van zulke supergeleidende circuits kan vergelijken met die van biologische neurale netwerken. Volgens het onderzoeksteam kan hun voorgestelde kunstmatige neuraal netwerk ongeveer honderd biljoen synaptische operaties per seconde per watt uitvoeren.

De simulaties zien veelbelovend uit. Als succesvol, kan het een hoogst concurrerende technologie zijn in termen van snelheid en vermogen. Het ontwerp kan een grootschalige neuromorfische processor mogelijk maken die getraind kan worden als een spikend neuraal netwerk om complexe taken uit te voeren zoals patroonherkenning.

Lees: Nieuw Elektronisch Huid Kan Menselijk-aanzien Tastzin Hebben

Zoals bij andere concepten, heeft het zijn eigen beperkingen: de supergeleidende neuronen kunnen slechts met een paar andere neuronen verbonden worden. Waarbij biologische neuronen verbinden met duizenden andere neuronen. Voor nu is het gewoon een ontwerp dat een proof-of-principle demonstratie nodig heeft.