I ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno costruito un interruttore superconduttore che "apprende" come un sistema biologico e potrebbe collegare processori e immagazzinare memorie in futuri computer che funzionano come il cervello umano.

L'interruttore NIST, descritto in Progressi scientifici , si chiama sinapsi, come la sua controparte biologica, e fornisce un pezzo mancante per i cosiddetti computer neuromorfici. Concepito come un nuovo tipo di intelligenza artificiale, tali computer potrebbero aumentare la percezione e il processo decisionale per applicazioni come le auto a guida autonoma e la diagnosi del cancro.

Una sinapsi è una connessione o un interruttore tra due cellule cerebrali. La sinapsi artificiale del NIST, un cilindro metallico tozzo di 10 micrometri di diametro, è come quella reale perché può elaborare i picchi elettrici in entrata per personalizzare i segnali di uscita dei picchi. Questa elaborazione si basa su un design interno flessibile che può essere regolato dall'esperienza o dal suo ambiente. Maggiore è il fuoco tra celle o processori, più forte è la connessione. Sia la sinapsi reale che quella artificiale possono così mantenere i vecchi circuiti e crearne di nuovi. Anche meglio della cosa reale, la sinapsi del NIST può attivarsi molto più velocemente del cervello umano:1 miliardo di volte al secondo, rispetto alle 50 volte al secondo di una cellula cerebrale, usando solo un soffio di energia, circa un decimillesimo di una sinapsi umana. In termini tecnici, l'energia di picco è inferiore a 1 attojoule, inferiore all'energia di fondo a temperatura ambiente e alla pari con l'energia chimica che lega due atomi in una molecola.

"La sinapsi del NIST ha un fabbisogno energetico inferiore rispetto alla sinapsi umana, e non conosciamo nessun'altra sinapsi artificiale che usi meno energia, "Ha detto il fisico del NIST Mike Schneider.

La nuova sinapsi sarebbe utilizzata in computer neuromorfici costituiti da componenti superconduttori, che può trasmettere elettricità senza resistenza, e quindi, sarebbe più efficiente di altri progetti basati su semiconduttori o software. I dati sarebbero trasmessi, elaborati e immagazzinati in unità di flusso magnetico. Sono stati sviluppati dispositivi superconduttori che imitano le cellule cerebrali e le linee di trasmissione, ma fino ad ora, sinapsi efficienti, un pezzo cruciale, sono mancati.

Il cervello è particolarmente potente per compiti come il riconoscimento del contesto perché elabora i dati sia in sequenza che simultaneamente e memorizza i ricordi nelle sinapsi in tutto il sistema. Un computer convenzionale elabora i dati solo in sequenza e memorizza la memoria in un'unità separata.

La sinapsi del NIST è una giunzione Josephson, a lungo utilizzato negli standard di tensione del NIST. Queste giunzioni sono un sandwich di materiali superconduttori con un isolante come riempimento. Quando una corrente elettrica attraverso la giunzione supera un livello chiamato corrente critica, si producono picchi di tensione. La sinapsi utilizza elettrodi di niobio standard ma ha un riempimento unico fatto di cluster su nanoscala di manganese in una matrice di silicio.

I nanocluster—circa 20, 000 per micrometro quadrato:agiscono come minuscoli magneti a barra con "giri" che possono essere orientati in modo casuale o coordinato.

"Queste sono giunzioni Josephson personalizzate, " ha detto Schneider. "Possiamo controllare il numero di nanocluster che puntano nella stessa direzione, che influenza le proprietà superconduttive della giunzione."

La sinapsi rimane in uno stato superconduttore, tranne quando viene attivato dalla corrente in ingresso e inizia a produrre picchi di tensione. I ricercatori applicano impulsi di corrente in un campo magnetico per aumentare l'ordinamento magnetico, questo è, il numero di nanocluster che puntano nella stessa direzione. Questo effetto magnetico riduce progressivamente il livello critico di corrente, rendendo più facile creare un conduttore normale e produrre picchi di tensione.

La corrente critica è la più bassa quando tutti i nanocluster sono allineati. Il processo è anche reversibile:gli impulsi vengono applicati senza un campo magnetico per ridurre l'ordine magnetico e aumentare la corrente critica. Questo disegno, in cui input diversi alterano l'allineamento di spin e i segnali di output risultanti, è simile a come funziona il cervello.

Il comportamento della sinapsi può anche essere regolato modificando il modo in cui è realizzato il dispositivo e la sua temperatura operativa. Riducendo i nanocluster, i ricercatori possono ridurre l'energia dell'impulso necessaria per aumentare o diminuire l'ordine magnetico del dispositivo. Aumentando leggermente la temperatura di esercizio da meno 271,15 gradi C (meno 456,07 gradi F) a meno 269,15 gradi C (meno 452,47 gradi F), Per esempio, provoca picchi di tensione sempre maggiori.

In modo cruciale, le sinapsi possono essere impilate in tre dimensioni (3-D) per creare grandi sistemi che potrebbero essere utilizzati per l'elaborazione. I ricercatori del NIST hanno creato un modello di circuito per simulare il funzionamento di un tale sistema.

La combinazione della sinapsi del NIST di piccole dimensioni, segnali di picco superveloci, il basso fabbisogno energetico e la capacità di impilamento 3D potrebbero fornire i mezzi per un sistema neuromorfo molto più complesso di quanto sia stato dimostrato con altre tecnologie, secondo la carta.