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超导突触可能缺少人造大脑

美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员已经建立了一个超导开关,可以像生物系统一样“学习”,可以连接处理器并在未来的计算机中存储记忆,就像人脑一样。

在Science Advances中描述的NIST开关被称为突触,就像它的生物学对应物一样,它为所谓的神经形态计算机提供了一个缺失的部分。这种计算机被设想为一种新型的人工智能,可以提高对自动驾驶汽车和癌症诊断等应用的感知和决策。

突触是两个脑细胞之间的连接或切换。NIST的人工突触 - 一个直径10微米的深蹲金属圆柱体 - 就像真正的东西一样,因为它可以处理来电尖峰以定制尖峰输出信号。此处理基于灵活的内部设计,可根据经验或环境进行调整。单元或处理器之间的触发越多,连接就越强。因此,真实和人工突触都可以维持旧电路并创建新电路。甚至比真实的东西更好,NIST突触可以比人类大脑发射得更快 - 每秒10亿次,而脑细胞每秒50次 - 仅使用一点能量,大约是万分之一就像人类的突触一样。在技​​术方面,尖峰能量小于1 attojoule,

NIST物理学家Mike Schneider说:“NIST突触比人类突触具有更低的能量需求,我们不知道任何其他使用更少能量的人工突触。”

新的突触将用于由超导组件制成的神经形态计算机,其可以无阻力地传输电力,因此,比基于半导体或软件的其他设计更有效。数据将以磁通量为单位进行传输,处理和存储。已经开发出模仿脑细胞和传输线的超导装置,但直到现在,有效的突触 - 一个关键的部分 - 已经缺失。

大脑对于上下文识别等任务特别有用,因为它可以按顺序和同时处理数据,并将记忆存储在整个系统的突触中。传统计算机仅按顺序处理数据并将存储器存储在单独的单元中。

NIST突触是约瑟夫森结,长期用于NIST电压标准。这些结是超导材料的夹层结构,绝缘体作为填充物。当通过结的电流超过称为临界电流的电平时,产生电压尖峰。突触使用标准的铌电极,但具有由硅基质中的纳米级锰簇制成的独特填充物。

纳米团簇 - 每平方微米约20,000个 - 就像微小的条形磁铁一样,具有“旋转”,可以随机或以协调的方式定向。

“这些是定制的约瑟夫森路口,”施奈德说。“我们可以控制指向同一方向的纳米团簇的数量,这会影响结的超导特性。”

突触处于超导状态,除非它被输入电流激活并开始产生电压尖峰。研究人员在磁场中施加电流脉冲以增强磁性排序,即指向相同方向的纳米团簇的数量。这种磁效应逐渐降低了临界电流水平,使得更容易产生正常导体并产生电压尖峰。

当所有纳米团簇对齐时,临界电流最低。该过程也是可逆的:在没有磁场的情况下施加脉冲以减少磁排序并提高临界电流。这种设计,其中不同的输入改变旋转对齐和产生的输出信号,类似于大脑的操作方式。

还可以通过更改设备的制造方式和工作温度来调整突触行为。通过使纳米团簇更小,研究人员可以减少升高或降低器件磁性顺序所需的脉冲能量。例如,将工作温度从负271.15摄氏度(负456.07华氏度)略微提高到负269.15摄氏度(负452.47华氏度)会导致电压尖峰越来越高。

至关重要的是,突触可以三维(3-D)堆叠,以制作可用于计算的大型系统。NIST的研究人员创建了一个电路模型来模拟这样一个系统的运行方式。

NIST突触结合了小尺寸,超快速尖峰信号,低能量需求和3-D堆叠能力,可以为比其他技术所证明的更复杂的神经形态系统提供方法。

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