Los ingenieros del MIT han diseñado un "cerebro en un chip, "más pequeño que un trozo de confeti, que está hecho de decenas de miles de sinapsis cerebrales artificiales conocidas como memristors, componentes basados ​​en silicio que imitan las sinapsis que transmiten información en el cerebro humano.

Los investigadores tomaron prestados los principios de la metalurgia para fabricar cada memristor a partir de aleaciones de plata y cobre. junto con el silicio. Cuando pasaron el chip por varias tareas visuales, el chip pudo "recordar" imágenes almacenadas y reproducirlas muchas veces, en versiones más nítidas y limpias en comparación con los diseños de memristor existentes hechos con elementos no aleados.

Sus resultados, publicado hoy en la revista Nanotecnología de la naturaleza , demuestran un nuevo y prometedor diseño de memristor para dispositivos neuromórficos, componentes electrónicos que se basan en un nuevo tipo de circuito que procesa la información de una manera que imita la arquitectura neuronal del cerebro. Estos circuitos inspirados en el cerebro podrían construirse en pequeños, dispositivos portables, y llevaría a cabo tareas computacionales complejas que solo las supercomputadoras actuales pueden manejar.

"Hasta aquí, Las redes de sinapsis artificiales existen como software. Estamos tratando de construir hardware de red neuronal real para sistemas portátiles de inteligencia artificial, "dice Jeehwan Kim, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT. "Imagínese conectar un dispositivo neuromórfico a una cámara en su automóvil, y que reconozca luces y objetos y tome una decisión de inmediato, sin tener que conectarse a Internet. Esperamos utilizar memristores energéticamente eficientes para realizar esas tareas en el sitio, en tiempo real."

Iones errantes

Memistores, o transistores de memoria, son un elemento esencial en la computación neuromórfica. En un dispositivo neuromórfico, un memristor serviría como transistor en un circuito, aunque su funcionamiento se parecería más a una sinapsis cerebral, la unión entre dos neuronas. La sinapsis recibe señales de una neurona, en forma de iones, y envía una señal correspondiente a la siguiente neurona.

Un transistor en un circuito convencional transmite información al cambiar entre uno de solo dos valores, 0 y 1, y hacerlo solo cuando la señal que recibe, en forma de corriente eléctrica, es de una fuerza particular. A diferencia de, un memristor funcionaría a lo largo de un gradiente, muy parecido a una sinapsis en el cerebro. La señal que produce variará dependiendo de la fuerza de la señal que reciba. Esto permitiría que un solo memristor tuviera muchos valores, y, por lo tanto, realizan una gama de operaciones mucho más amplia que los transistores binarios.

Como una sinapsis cerebral un memristor también podría "recordar" el valor asociado con una intensidad de corriente determinada, y producirá exactamente la misma señal la próxima vez que reciba una corriente similar. Esto podría asegurar que la respuesta a una ecuación compleja, o la clasificación visual de un objeto, es confiable, una hazaña que normalmente involucra múltiples transistores y capacitores.

Por último, Los científicos imaginan que los memristores requerirían mucho menos espacio en el chip que los transistores convencionales, habilitando poderoso, dispositivos informáticos portátiles que no dependen de supercomputadoras, o incluso conexiones a Internet.

Diseños de memristor existentes, sin embargo, son limitados en su desempeño. Un solo memristor está hecho de un electrodo positivo y negativo, separados por un "medio de conmutación, "o espacio entre los electrodos. Cuando se aplica un voltaje a un electrodo, iones de ese electrodo fluyen a través del medio, formando un "canal de conducción" al otro electrodo. Los iones recibidos forman la señal eléctrica que el memristor transmite a través del circuito. El tamaño del canal de iones (y la señal que finalmente produce el memristor) debe ser proporcional a la fuerza del voltaje estimulante.

Kim dice que los diseños de memristor existentes funcionan bastante bien en los casos en que el voltaje estimula un gran canal de conducción, o un fuerte flujo de iones de un electrodo al otro. Pero estos diseños son menos confiables cuando los memristores necesitan generar señales más sutiles, a través de canales de conducción más delgados.

Cuanto más delgado es un canal de conducción, y cuanto más ligero es el flujo de iones de un electrodo al otro, más difícil es que los iones individuales permanezcan juntos. En lugar de, tienden a alejarse del grupo, disolviéndose dentro del medio. Como resultado, es difícil para el electrodo receptor capturar de manera confiable la misma cantidad de iones, y por tanto transmitir la misma señal, cuando se estimula con un cierto rango bajo de corriente.

Préstamos de la metalurgia

Kim y sus colegas encontraron una forma de evitar esta limitación tomando prestada una técnica de la metalurgia, la ciencia de fundir metales en aleaciones y estudiar sus propiedades combinadas.

"Tradicionalmente, los metalúrgicos intentan agregar diferentes átomos en una matriz a granel para fortalecer los materiales, y pensamos, por qué no modificar las interacciones atómicas en nuestro memristor, y agregar algún elemento de aleación para controlar el movimiento de iones en nuestro medio, "Dice Kim.

Los ingenieros suelen utilizar plata como material para el electrodo positivo de un memristor. El equipo de Kim revisó la literatura para encontrar un elemento que pudieran combinar con la plata para mantener juntos los iones de plata de manera efectiva. mientras les permite fluir rápidamente a través del otro electrodo.

El equipo aterrizó en el cobre como el elemento de aleación ideal, como puede unir ambos con plata, y con silicio.

"Actúa como una especie de puente, y estabiliza la interfaz plata-silicio, "Dice Kim.

Para hacer memristores usando su nueva aleación, el grupo primero fabricó un electrodo negativo de silicio, luego hizo un electrodo positivo depositando una pequeña cantidad de cobre, seguido de una capa de plata. Emparejaron los dos electrodos alrededor de un medio de silicio amorfo. De este modo, modelaron un chip de silicio de un milímetro cuadrado con decenas de miles de memristores.

Como primera prueba del chip, recrearon una imagen en escala de grises del escudo del Capitán América. Igualaron cada píxel de la imagen con un memristor correspondiente en el chip. Luego, modularon la conductancia de cada memristor que tenía una fuerza relativa al color en el píxel correspondiente.

El chip produjo la misma imagen nítida del escudo, y fue capaz de "recordar" la imagen y reproducirla muchas veces, en comparación con las virutas de otros materiales.

El equipo también ejecutó el chip a través de una tarea de procesamiento de imágenes, programar los memristores para alterar una imagen, en este caso de Killian Court del MIT, de varias formas específicas, incluida la nitidez y el desenfoque de la imagen original. De nuevo, su diseño produjo las imágenes reprogramadas de manera más confiable que los diseños de memristor existentes.

"Estamos usando sinapsis artificiales para realizar pruebas de inferencia reales, ", Dice Kim." Nos gustaría desarrollar más esta tecnología para tener matrices a mayor escala para realizar tareas de reconocimiento de imágenes. Y algun dia es posible que pueda llevar cerebros artificiales para realizar este tipo de tareas, sin conectarse a supercomputadoras, La Internet, o la nube ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.