Süper iletken donanım, beyinden ilham alan bilgi işlemin ölçeğini artırabilir

Şimdi, Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü’nden (NIST) bir ekip, bir gün yapay sinir sistemlerinin insan beyninden 100.000 kat daha hızlı çalışmasına izin verebilecek bu iletişim zorluklarına bir çözüm gösterdi.

İnsan beyni, nöron adı verilen ve her biri komşularıyla binlerce bağlantıya (sinaps olarak bilinir) sahip olabilen yaklaşık 86 milyar hücreden oluşan bir ağdır. Nöronlar, bilişin temelini oluşturan zengin, zamanla değişen aktivite kalıpları oluşturmak için sivri denilen kısa elektrik darbeleri kullanarak birbirleriyle iletişim kurarlar. Nöromorfik çiplerde, elektronik bileşenler yapay nöronlar gibi hareket ederek, ani sinyalleri beyin benzeri bir ağ üzerinden yönlendirir.

Araştırmacılar, geleneksel elektronik iletişim altyapısını ortadan kaldırarak, her bir nöronda binlerce bağlantıya optik sinyaller yayınlayan küçük ışık kaynaklarına sahip ağlar tasarladılar. Fotonlar olarak bilinen tek ışık parçacıklarını algılamak için süper iletken cihazlar kullanılıyorsa, bu şema özellikle enerji açısından verimli olabilir – bir ani artışı temsil etmek için kullanılabilecek mümkün olan en küçük optik sinyal.

yeni bir Doğa Elektroniği NIST araştırmacıları ilk kez biyolojik bir sinaps gibi davranan, ancak sinyalleri iletmek ve almak için sadece tek fotonları kullanan bir devre elde ettiler. Böyle bir başarı, süper iletken tek foton dedektörleri kullanılarak mümkündür. NIST devresindeki hesaplama, tek fotonlu bir dedektörün Josephson bağlantısı adı verilen bir süper iletken devre elemanıyla karşılaştığı yerde gerçekleşir. Bir Josephson bağlantısı, ince bir yalıtkan filmle ayrılmış süper iletken malzemelerden oluşan bir sandviçtir. Sandviçten geçen akım belirli bir eşik değerini aşarsa, Josephson bağlantısı flukson adı verilen küçük voltaj darbeleri üretmeye başlar. Bir foton tespit edildiğinde, tek foton detektörü Josephson bağlantısını bu eşiğin üzerine iter ve akılar bir süper iletken döngüde akım olarak biriktirilir. Araştırmacılar, bağlantılardan birine bir önyargı (devrelere güç sağlayan harici bir akım kaynağı) uygulayarak foton başına döngüye eklenen akım miktarını ayarlayabilirler. Buna sinaptik ağırlık denir.

Bu davranış biyolojik sinapslarınkine benzer. Depolanan akım, nöronun yakın geçmişte kaç kez bir ani artış ürettiğinin bir kaydını sağladığı için bir kısa süreli bellek biçimi olarak hizmet eder. Bu belleğin süresi, NIST ekibinin gösterdiği gibi, elektrik akımının süper iletken döngülerde azalması için geçen süreye göre belirlenir, yüzlerce nanosaniyeden milisaniyeye ve muhtemelen daha fazlasına kadar değişebilir. Bu, donanımın, yüksek hızlı endüstriyel kontrol sistemlerinden insanlarla daha yavaş konuşmalara kadar birçok farklı zaman ölçeğinde meydana gelen problemlerle eşleştirilebileceği anlamına gelir. Josephson kavşaklarına olan önyargıyı değiştirerek farklı ağırlıklar belirleme yeteneği, ağları programlanabilir hale getirmek için kullanılabilecek daha uzun süreli bir belleğe izin verir, böylece aynı ağ birçok farklı sorunu çözebilir.

Sinapslar beynin önemli bir hesaplama bileşenidir, bu nedenle süper iletken tek fotonlu sinapsların bu gösterimi, ekibin süper iletken optoelektronik ağlara ilişkin tam vizyonunu gerçekleştirme yolunda önemli bir kilometre taşıdır. Ancak arayış tamamlanmaktan uzaktır. Takımın bir sonraki kilometre taşı, tam süper iletken optoelektronik nöronları göstermek için bu sinapsları çip üzerindeki ışık kaynaklarıyla birleştirmek olacak.

NIST proje lideri Jeff Shainline, “Burada gösterdiklerimizi hesaplama sorunlarını çözmek için kullanabiliriz, ancak ölçek sınırlı olacaktır.” Dedi. “Bir sonraki hedefimiz, süper iletken elektronikteki bu ilerlemeyi yarı iletken ışık kaynaklarıyla birleştirmek. Bu, daha birçok öğe arasında iletişim kurmamıza ve büyük, sonuç olarak ortaya çıkan sorunları çözmemize olanak sağlayacak.”

Ekip, eksiksiz bir sistemde kullanılabilecek ışık kaynaklarını zaten gösterdi, ancak tüm bileşenleri tek bir çip üzerinde entegre etmek için daha fazla çalışma gerekiyor. Sinapslar, mevcut sistemden daha yüksek sıcaklıklarda çalışan dedektör malzemeleri kullanılarak geliştirilebilir ve ekip ayrıca, daha büyük ölçekli nöromorfik çiplerde sinaptik ağırlıklandırma uygulamak için teknikleri araştırıyor.

Çalışma, kısmen Savunma İleri Araştırma Projeleri Ajansı tarafından finanse edildi.