Una representación artística de una población de neuronas de cambio de fase estocásticas que aparece en la portada de Nature Nanotechnology, 3 de agosto de 2016. Los científicos de IBM han creado neuronas con picos aleatorios utilizando materiales de cambio de fase para almacenar y procesar datos. Esta demostración marca un importante paso adelante en el desarrollo de sistemas energéticamente eficientes, tecnologías neuromórficas integradas ultradensas para aplicaciones en computación cognitiva. Crédito:IBM
Los científicos de IBM han creado neuronas con picos aleatorios utilizando materiales de cambio de fase para almacenar y procesar datos. Esta demostración marca un importante paso adelante en el desarrollo de sistemas energéticamente eficientes, tecnologías neuromórficas integradas ultradensas para aplicaciones en computación cognitiva.
Inspirado en la forma en que funciona el cerebro biológico, Los científicos han teorizado durante décadas que debería ser posible imitar las versátiles capacidades computacionales de grandes poblaciones de neuronas. Sin embargo, hacerlo en densidades y con un presupuesto de energía que sería comparable a los vistos en biología ha sido un desafío significativo, hasta ahora.
"Hemos estado investigando materiales de cambio de fase para aplicaciones de memoria durante más de una década, y nuestro progreso en los últimos 24 meses ha sido notable, ", dijo el miembro de IBM Evangelos Eleftheriou." En este período, hemos descubierto y publicado nuevas técnicas de memoria, incluida la memoria proyectada, almacenó 3 bits por celda en la memoria de cambio de fase por primera vez, y ahora están demostrando las poderosas capacidades de las neuronas artificiales basadas en el cambio de fase, que puede realizar varias primitivas computacionales como la detección de correlación de datos y el aprendizaje no supervisado a altas velocidades usando muy poca energía ".
Las neuronas artificiales diseñadas por científicos de IBM en Zurich consisten en materiales de cambio de fase, incluyendo telururo de germanio y antimonio, que exhiben dos estados estables, uno amorfo (sin una estructura claramente definida) y uno cristalino (con estructura). Estos materiales son la base de los discos Blu-ray regrabables. Sin embargo, las neuronas artificiales no almacenan información digital; son análogos, al igual que las sinapsis y las neuronas de nuestro cerebro biológico.
En la demostración publicada, el equipo aplicó una serie de pulsos eléctricos a las neuronas artificiales, que resultó en la cristalización progresiva del material de cambio de fase, en última instancia, provocando que la neurona se dispare. En neurociencia, esta función se conoce como la propiedad de integración y activación de las neuronas biológicas. Esta es la base para el cálculo basado en eventos y, en principio, es similar a cómo nuestro cerebro desencadena una respuesta cuando tocamos algo caliente.
Explotar esta propiedad de integración y fuego, incluso se puede utilizar una sola neurona para detectar patrones y descubrir correlaciones en flujos de datos basados en eventos en tiempo real. Por ejemplo, en Internet de las cosas, Los sensores pueden recopilar y analizar volúmenes de datos meteorológicos recopilados en el borde para obtener pronósticos más rápidos. Las neuronas artificiales podrían usarse para detectar patrones en transacciones financieras para encontrar discrepancias o usar datos de las redes sociales para descubrir nuevas tendencias culturales en tiempo real. Grandes poblaciones de estos vehículos de alta velocidad Las neuronas de nanoescala de baja energía también podrían usarse en coprocesadores neuromórficos con unidades de procesamiento y memoria coubicadas.
Neuronas de cambio de fase. Un chip con grandes conjuntos de dispositivos de cambio de fase que almacenan el estado de las poblaciones neuronales artificiales en su configuración atómica. En la fotografía, Se accede a los dispositivos individuales por medio de una serie de sondas para permitir una caracterización precisa, modelado e interrogatorio. Los pequeños cuadrados son almohadillas de contacto que se utilizan para acceder a las celdas de cambio de fase a escala nanométrica (no visibles). Las sondas afiladas tocan las almohadillas de contacto para cambiar la configuración de fase almacenada en las células en respuesta a la entrada neuronal. Cada conjunto de sondas puede acceder a una población de 100 células. El chip aloja solo los dispositivos de cambio de fase que son el "corazón" de las neuronas. Hay miles o millones de estas células en un chip y accedemos a ellas (en esta fotografía en particular) por medio de agujas afiladas (tarjeta de sonda). Crédito:IBM
Los científicos de IBM han organizado cientos de neuronas artificiales en poblaciones y las han utilizado para representar señales rápidas y complejas. Es más, Se ha demostrado que las neuronas artificiales sostienen miles de millones de ciclos de conmutación, que correspondería a varios años de funcionamiento a una frecuencia de actualización de 100 Hz. La energía requerida para cada actualización de neuronas fue de menos de cinco picojulios y la potencia promedio de menos de 120 microvatios; a modo de comparación, 60 millones de microvatios alimentan una bombilla de 60 vatios.
"Poblaciones de neuronas de cambio de fase estocásticas, combinado con otros elementos computacionales a nanoescala como las sinapsis artificiales, podría ser un facilitador clave para la creación de una nueva generación de sistemas informáticos neuromórficos extremadamente densos, "dijo Tomas Tuma, coautor del artículo.
