Ученые ИТМО создали искусственный оптический синапс на основе распространенного в природе полупроводника — оксида меди, также известного как минерал тенорит. Под воздействием лазерного излучения кристаллы тенорита демонстрируют поведение, схожее с работой биологических синапсов в головном мозге, — их реакция на излучение зависит от частоты лазерных импульсов, подобно тому, как синапсы реагируют на активные вещества-возбудители — нейромедиаторы. Технология может стать основой для нового типа процессоров, которые имитируют работу биологических нейронных сетей. Такой метод ускорит вычисления и обучение алгоритмов ИИ при одновременном снижении энергопотребления. Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Applied Materials & Interfaces.

Первый автор исследования Семен Бачинин за экспериментом по изучению оптоэлектронного отклика кристалла оксида меди. Фото предоставлено Семеном Бачининым

Современные нейросети работают на базе классических электронных устройств, в которых процессор и память разделены. Постоянная пересылка больших объемов данных между ними создает эффект «бутылочного горлышка», что замедляет работу и становится основным источником высокого энергопотребления. Решить проблему может разработка процессоров, имитирующих работу нейронных сетей мозга. В биологических нейросетях синапсы одновременно хранят информацию и выполняют операции, что кардинально снижает энергозатраты и ускоряет вычислительные процессы. Однако классические материалы и технологии для их разработки не подходят.

Ученые ИТМО предложили новые составляющие для таких процессоров, создав искусственный оптический синапс —  кристалл тенорита, который располагается на золотых контактах. Оптические свойства этого материала зависят от температуры его нагрева, что служит одним из критериев для наблюдения нейроморфного поведения. Кристалл тенорита реагирует на лазерное излучение подобно тому, как биологический синапс откликается на нейромедиаторы. Интенсивность его электрического отклика на воздействие лазером зависит от частоты облучения. Чем больше раз за определенный промежуток времени лазер светит на кристалл, тем сильнее его электрический отклик, и наоборот.

«Такая реакция на внешний раздражитель схожа с реакцией синапсов головного мозга на нейромедиаторы — биологически активные вещества-возбудители, которые обеспечивают передачу информации между синапсами. Интенсивность электрического отклика биологических синапсов тоже зависит от частоты воздействия на них нейромедиаторов. Эту особенность поведения синапсов называют пластичностью — способностью мозга обучаться и менять поведение в ответ на новый опыт. Это исследование стало продолжением цикла моих работ по поиску и дизайну новых нейроморфных материалов», — отмечает первый автор исследования, младший научный сотрудник физического факультета ИТМО Семен Бачинин.

Компьютерные процессы на основе таких кристаллов будут работать по принципу биологических нейронных сетей, а обучение алгоритмов ИИ на них будет схоже с процессом обучения человека. Информация будет обрабатываться и передаваться не посредством традиционного двоичного кода, а за счет изменения интенсивности электрического отклика в искусственных синапсах. Кроме того, все вычислительные операции будут проходить внутри одного кристалла, а не на разных элементах, как в классической электронике. Поэтому времени и энергии на выполнении любых действий потребуется меньше. Это позволит быстрее и эффективнее обучать нейросети, а также оперативнее и энергоэффективнее кодировать, передавать и хранить информацию.

Ученые ИТМО протестировали искусственные синапсы в работе. Они использовали кристаллы как платформу для обучения нейросети: ИИ должен был распознать рукописные цифры на снимках. Уже после третьей итерации точность выполнения задачи алгоритмом достигла 95% — это один из рекордных показателей для современных нейроморфных материалов. Кроме того, разработчики экспериментально подтвердили, что кристаллы остаются стабильны и не разрушаются даже после 13 тысяч циклов воздействия лазером. Еще одно преимущество — технология создания искусственных синапсов проста и экологична, поскольку основой служит хорошо известный и распространенный в природе полупроводниковый материал, который может быть также искусственно создан в лаборатории без использования дорогостоящих технологий. Это делает их пригодными для экономичного производства электронных устройств в промышленных масштабах.

В планах физиков — собрать сеть из нескольких искусственных синапсов, которая будет максимально приближена к нейронной структуре нашего мозга, и изучить ее поведение.

Исследование проводилось в рамках программы «Приоритет 2030».