Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han construido un interruptor superconductor que "aprende" como un sistema biológico y podría conectar procesadores y almacenar recuerdos en computadoras futuras que funcionen como el cerebro humano.

El interruptor NIST, descrito en Avances de la ciencia , se llama sinapsis, como su contraparte biológica, y proporciona una pieza faltante para las llamadas computadoras neuromórficas. Concebido como un nuevo tipo de inteligencia artificial, Estos ordenadores podrían mejorar la percepción y la toma de decisiones para aplicaciones como los coches autónomos y el diagnóstico de cáncer.

Una sinapsis es una conexión o cambio entre dos células cerebrales. La sinapsis artificial del NIST, un cilindro metálico rechoncho de 10 micrómetros de diámetro, es como la real porque puede procesar picos eléctricos entrantes para personalizar las señales de salida con picos. Este procesamiento se basa en un diseño interno flexible que puede ajustarse a la experiencia o su entorno. Cuanto más disparos entre células o procesadores, cuanto más fuerte es la conexión. Tanto la sinapsis real como la artificial pueden así mantener viejos circuitos y crear nuevos. Aún mejor que el auténtico, la sinapsis NIST puede dispararse mucho más rápido que el cerebro humano:mil millones de veces por segundo, en comparación con las 50 veces por segundo de una célula cerebral, usando solo un soplo de energía, alrededor de una diezmilésima parte de una sinapsis humana. En términos técnicos, la energía de pico es inferior a 1 attojulio, menor que la energía de fondo a temperatura ambiente y a la par con la energía química que une dos átomos en una molécula.

"La sinapsis NIST tiene menores necesidades energéticas que la sinapsis humana, y no conocemos ninguna otra sinapsis artificial que utilice menos energía, ", Dijo el físico del NIST Mike Schneider.

La nueva sinapsis se usaría en computadoras neuromórficas hechas de componentes superconductores, que puede transmitir electricidad sin resistencia, y por lo tanto, sería más eficiente que otros diseños basados ​​en semiconductores o software. Los datos serían transmitidos, procesado y almacenado en unidades de flujo magnético. Se han desarrollado dispositivos superconductores que imitan las células cerebrales y las líneas de transmisión, pero hasta ahora han faltado sinapsis eficientes, una pieza crucial.

El cerebro es especialmente poderoso para tareas como el reconocimiento de contexto porque procesa datos tanto en secuencia como simultáneamente y almacena recuerdos en sinapsis en todo el sistema. Una computadora convencional procesa datos solo en secuencia y almacena la memoria en una unidad separada.

La sinapsis NIST es un cruce de Josephson, utilizado durante mucho tiempo en los estándares de voltaje NIST. Estas uniones son un sándwich de materiales superconductores con un aislante como relleno. Cuando una corriente eléctrica a través de la unión excede un nivel llamado corriente crítica, se producen picos de tensión. La sinapsis utiliza electrodos de niobio estándar, pero tiene un relleno único hecho de grupos de manganeso a nanoescala en una matriz de silicio.

Los nanoclusters, alrededor de 20, 000 por micrómetro cuadrado:actúan como pequeños imanes de barra con "giros" que se pueden orientar de forma aleatoria o coordinada.

"Son uniones Josephson personalizadas, ", Dijo Schneider." Podemos controlar el número de nanoclusters que apuntan en la misma dirección, que afecta las propiedades superconductoras de la unión ".

La sinapsis descansa en un estado superconductor, excepto cuando se activa por la corriente entrante y comienza a producir picos de voltaje. Los investigadores aplican pulsos de corriente en un campo magnético para impulsar el orden magnético, es decir, el número de nanoclusters apuntando en la misma dirección. Este efecto magnético reduce progresivamente el nivel de corriente crítico, facilitando la creación de un conductor normal y produciendo picos de tensión.

La corriente crítica es la más baja cuando todos los nanoclusters están alineados. El proceso también es reversible:se aplican pulsos sin un campo magnético para reducir el orden magnético y aumentar la corriente crítica. Este diseño, en el que diferentes entradas alteran la alineación de espín y las señales de salida resultantes, es similar a cómo funciona el cerebro.

El comportamiento de Synapse también se puede ajustar cambiando la forma en que se fabrica el dispositivo y su temperatura de funcionamiento. Al hacer los nanoclusters más pequeños, los investigadores pueden reducir la energía del pulso necesaria para subir o bajar el orden magnético del dispositivo. Elevar ligeramente la temperatura de funcionamiento de menos 271,15 grados C (menos 456,07 grados F) a menos 269,15 grados C (menos 452,47 grados F), por ejemplo, da como resultado más picos de voltaje y más altos.

Crucialmente, las sinapsis se pueden apilar en tres dimensiones (3-D) para hacer grandes sistemas que podrían usarse para la computación. Los investigadores del NIST crearon un modelo de circuito para simular cómo funcionaría dicho sistema.

La combinación de la sinapsis NIST de tamaño pequeño, señales de picos superrápidos, Las bajas necesidades de energía y la capacidad de apilamiento 3-D podrían proporcionar los medios para un sistema neuromórfico mucho más complejo de lo que se ha demostrado con otras tecnologías. según el papel.