Rappresentazione artistica di come i circuiti superconduttori che imitano le sinapsi (connessioni tra neuroni nel cervello) potrebbero essere utilizzati per creare neuroni optoelettronici artificiali del futuro. Credito:J. Chiles e J. Shainline/NIST
Gli scienziati hanno a lungo guardato al cervello come fonte di ispirazione per la progettazione di sistemi informatici. Alcuni ricercatori sono recentemente andati ancora oltre realizzando hardware per computer con una struttura simile a un cervello. Questi "chip neuromorfici" hanno già mostrato grandi promesse, ma hanno utilizzato l'elettronica digitale convenzionale, limitandone la complessità e la velocità. Man mano che i chip diventano più grandi e più complessi, i segnali tra i loro singoli componenti vengono sottoposti a backup come le auto su un'autostrada bloccata e riducono il calcolo a un passo.
Ora, un team del National Institute of Standards and Technology (NIST) ha dimostrato una soluzione a queste sfide di comunicazione che un giorno potrebbero consentire ai sistemi neurali artificiali di funzionare 100.000 volte più velocemente del cervello umano.
Il cervello umano è una rete di circa 86 miliardi di cellule chiamate neuroni, ognuna delle quali può avere migliaia di connessioni (note come sinapsi) con i suoi vicini. I neuroni comunicano tra loro utilizzando brevi impulsi elettrici chiamati picchi per creare schemi di attività ricchi e variabili nel tempo che costituiscono la base della cognizione. Nei chip neuromorfici, i componenti elettronici agiscono come neuroni artificiali, instradando i segnali di picco attraverso una rete simile a un cervello.
Eliminando l'infrastruttura di comunicazione elettronica convenzionale, i ricercatori hanno progettato reti con minuscole sorgenti luminose su ciascun neurone che trasmettono segnali ottici a migliaia di connessioni. Questo schema può essere particolarmente efficiente dal punto di vista energetico se vengono utilizzati dispositivi superconduttori per rilevare singole particelle di luce note come fotoni, il segnale ottico più piccolo possibile che potrebbe essere utilizzato per rappresentare un picco.
Fotografia di un circuito superconduttore del NIST che si comporta come una versione artificiale di una sinapsi, una connessione tra le cellule nervose (neuroni) nel cervello. Le etichette mostrano vari componenti del circuito e le loro funzioni. Crediti:S. Khan e B. Primavera/NIST
In una nuova Natura Elettronica paper, i ricercatori del NIST hanno realizzato per la prima volta un circuito che si comporta in modo molto simile a una sinapsi biologica ma utilizza solo singoli fotoni per trasmettere e ricevere segnali. Una tale impresa è possibile utilizzando rivelatori superconduttori a fotone singolo. Il calcolo nel circuito NIST avviene quando un rivelatore a fotone singolo incontra un elemento del circuito superconduttore chiamato giunzione Josephson.
Una giunzione Josephson è un sandwich di materiali superconduttori separati da una sottile pellicola isolante. Se la corrente attraverso il sandwich supera un certo valore di soglia, la giunzione Josephson inizia a produrre piccoli impulsi di tensione chiamati flussini. Dopo aver rilevato un fotone, il rivelatore a fotone singolo spinge la giunzione Josephson oltre questa soglia e i flussini vengono accumulati come corrente in un circuito superconduttore. I ricercatori possono regolare la quantità di corrente aggiunta al circuito per fotone applicando una polarizzazione (una sorgente di corrente esterna che alimenta i circuiti) a una delle giunzioni. Questo è chiamato peso sinaptico.
Questo comportamento è simile a quello delle sinapsi biologiche. La corrente immagazzinata funge da forma di memoria a breve termine, poiché fornisce una registrazione di quante volte il neurone ha prodotto un picco nel prossimo passato. La durata di questa memoria è determinata dal tempo necessario affinché la corrente elettrica decada nei circuiti superconduttori, che il team del NIST ha dimostrato può variare da centinaia di nanosecondi a millisecondi e probabilmente oltre.
Ciò significa che l'hardware potrebbe essere abbinato a problemi che si verificano su scale temporali diverse, dai sistemi di controllo industriale ad alta velocità a conversazioni più piacevoli con gli esseri umani. La possibilità di impostare pesi diversi modificando il bias alle giunzioni Josephson consente una memoria a lungo termine che può essere utilizzata per rendere le reti programmabili in modo che la stessa rete possa risolvere molti problemi diversi.
Le sinapsi sono una componente computazionale cruciale del cervello, quindi questa dimostrazione di sinapsi a fotone singolo superconduttore è un'importante pietra miliare sul percorso per realizzare la visione completa del team delle reti optoelettroniche superconduttive. Eppure l'inseguimento è tutt'altro che completo. La prossima pietra miliare del team sarà combinare queste sinapsi con sorgenti di luce su chip per dimostrare neuroni optoelettronici completamente superconduttori.
"Potremmo utilizzare ciò che abbiamo dimostrato qui per risolvere problemi di calcolo, ma la scala sarebbe limitata", ha affermato il leader del progetto NIST Jeff Shainline. "Il nostro prossimo obiettivo è combinare questo progresso nell'elettronica superconduttrice con sorgenti luminose a semiconduttore. Ciò ci consentirà di ottenere la comunicazione tra molti più elementi e di risolvere grandi problemi consequenziali".
Il team ha già dimostrato le sorgenti luminose che potrebbero essere utilizzate in un sistema completo, ma sono necessari ulteriori lavori per integrare tutti i componenti su un singolo chip. Le sinapsi stesse potrebbero essere migliorate utilizzando materiali rivelatori che operano a temperature più elevate rispetto al sistema attuale e il team sta anche esplorando tecniche per implementare la ponderazione sinaptica in chip neuromorfici su larga scala. + Esplora ulteriormente
