Budú kľúčom k novým superprocesorom protóny?

Inžinieri z MIT vyvinuli nový typ umelej synapsie, ktorá je mimoriadne energeticky účinná a ultrarýchla a spracováva dáta miliónkrát rýchlejšie ako synapsie v ľudskom mozgu. Kľúčom je analógový dizajn, ktorý prenáša najjednoduchšie ióny, protóny, namiesto elektrónov.

Synapsia je spojenie dvoch neurónov (alebo zmyslovej bunky a neurónu), slúžiace na odovzdávanie vzruchov. V dnešnej dobe je považovaná za „jednotku“ aktivity mozgu namiesto neurónu.

Ľudský mozog je vďaka svojej jedinečnej štruktúre neurónov a synapsií zďaleka najvýkonnejším počítačom na svete. Napodobnenie tohto analógového systému by mohlo priniesť výkonnejšie a energeticky úspornejšie počítače, ktoré vykonávajú operácie v tandeme a spracovávajú dáta v pamäti, namiesto toho, aby ich prenášali tam a späť z pamäte do procesora, ako sa to deje v digitálnych počítačoch. Podobný princíp využívajú neurónové siete, majú však hardvérové ​​obmedzenia.

Výskumníci z MIT by mohli prekonať jedno z týchto obmedzení, keď vyvinuli nový typ programovateľného odporu (rezistoru), ktorý je stavebným kameňom analógových procesorov. Vodivosť takýchto prvkov sa môže podľa potreby prepnúť na vedenie alebo blokovanie iónov a sústava týchto odporov umožňuje spracovanie a prenos informácií ako prirodzené neuróny a synapsie.

V novom rezistore elektrický náboj prenášajú protóny, najmenšie ióny (jadrá vodíka), ktoré sa môžu s malým energetickým impulzom pohybovať bleskovou rýchlosťou. Ďalšou zmenou je pevný elektrolyt z fosfosilikátového skla (phosphosilicate glass, PSG), čo je v podstate oxid kremičitý s malým prídavkom fosforu. Tento anorganický materiál má vysokú protónovú vodivosť pri izbovej teplote vďaka nanometrovým pórom, ktoré umožňujú protónom prechádzať a zároveň blokujú elektróny.

Pri aplikácii relatívne silného elektrického poľa s napätím až do 10 voltov (akčný potenciál v biologických bunkách pracuje s rozdielom napätia približne 0,1 voltu), protóny preniknú cez zostavu zariadení rýchlosťou blesku. Výsledkom je analógový procesor, ktorý dokáže prenášať dáta miliónkrát rýchlejšie ako predchádzajúce verzie – vrátane synapsií ľudského mozgu.

Rezistor je stabilný aj po miliónoch cyklov, pretože protóny sú oproti iným iónom o toľko menšie a ľahšie, že nepoškodia materiál. Navyše, keďže PSG sklo je elektrický izolant, cez zariadenie prechádza veľmi malý elektrický prúd, takže sa nezohrieva a znižuje sa spotreba energie.

Výskumníci plánujú vylepšiť dizajn, aby boli schopní vyrábať tieto odpory vo väčších množstvách a vytvoriť z nich rezistorové polia, aby videli, ako spolupracujú. To by mohlo priniesť oveľa rýchlejšie počítače.

Výskum bol publikovaný v časopise Science.