Исследователи научили атомы думать как наш мозг

Нидерландский физик Майкл Верхаге из Технического университета Эйндховена совершил открытие, которое может навсегда изменить облик вычислительной техники: он выяснил, что хаотичные скачки тока в кристалле дихалькогенида тантала, который используется в электронике, при обычной комнатной температуре идеально копируют поведение нервной клетки. Исследование опубликовано на сайте Университета, передает Day.Az со ссылкой на Gazeta.ru.

В своих экспериментах ученый показал, что микроскопический "шум" в атомной решетке материала воспроизводит знаменитую модель LIF (от англ. leaky integrate‑and‑fire - "утечка, накопление и сброс"). Именно по такому принципу биологический нейрон копит электрический заряд до критического порога, а затем разряжается резким импульсом.

Чтобы разобраться в механизме, ученый применил сканирующий микроскоп и изучал поведение кристалла под напряжением. При подаче всего 200 милливольт внутри соединения возникали острые токовые всплески. Анализ продемонстрировал, что эти "искры" образуют последовательности с "тяжелыми хвостами" распределения и обладают внутренней временной памятью - а это математически соответствует тому, как генерируются импульсы в коре головного мозга живых существ.

Физическая природа этого эффекта, по словам Верхаге, кроется в перестройке так называемой волны зарядовой плотности - особого упорядоченного состояния электронов внутри кристалла. Эта структура по своему устройству напоминает фрактал: под внешним воздействием она сдвигается каскадами, словно горная лавина, и именно эти резкие скачки порождают мощные туннельные всплески электричества.

Ранее инженеры уже создавали на основе похожих материалов осцилляторы для нейросетей, но те работали с макроскопическими токами, усредняющими свойства кристалла. Новое исследование доказывает: сложная нейронная динамика может возникать сама собой. Для развития микроэлектроники такие двумерные структуры открывают захватывающие перспективы - они позволяют проектировать сверхэкономичные нейроморфные чипы, которым не требуется дорогостоящее охлаждение до криогенных температур. В будущем такие чипы могут стать основой для процессора, который не греется и потребляет энергию как пачка нейронов.

Впрочем, автор работы подчеркивает: пока исследование ограничилось лишь базовым измерением физического тока, а не сборкой готового вычислительного модуля. Чтобы превратить наблюдение в рабочий инструмент, инженерам предстоит интегрировать этот атомарный шум в реальные электронные схемы и проверить, насколько стабильно такие искусственные нейроны будут вести себя при длительной эксплуатации. Тем не менее, первый и самый важный шаг сделан - ученые знают, где искать ключ к созданию компьютеров, которые будут "думать" как живые.