Gli ingegneri del MIT hanno progettato un "brain-on-a-chip, " più piccolo di un coriandolo, che è composto da decine di migliaia di sinapsi cerebrali artificiali note come memristori, componenti a base di silicio che imitano le sinapsi che trasmettono informazioni nel cervello umano.

I ricercatori hanno preso in prestito dai principi della metallurgia per fabbricare ogni memristore da leghe di argento e rame, insieme al silicio. Quando hanno eseguito il chip attraverso diverse attività visive, il chip è stato in grado di "ricordare" le immagini memorizzate e riprodurle molte volte, in versioni più nitide e pulite rispetto ai design dei memristori esistenti realizzati con elementi non legati.

I loro risultati, pubblicato oggi sulla rivista Nanotecnologia della natura , dimostrare un nuovo promettente design di memristor per dispositivi neuromorfici, un'elettronica basata su un nuovo tipo di circuito che elabora le informazioni in un modo che imita l'architettura neurale del cervello. Tali circuiti ispirati al cervello potrebbero essere costruiti in piccoli, dispositivi portatili, e svolgerebbe compiti computazionali complessi che solo i supercomputer di oggi possono gestire.

"Finora, le reti di sinapsi artificiali esistono come software. Stiamo cercando di costruire un vero hardware di rete neurale per sistemi portatili di intelligenza artificiale, "dice Jeehwan Kim, professore associato di ingegneria meccanica al MIT. "Immagina di collegare un dispositivo neuromorfo a una telecamera sulla tua auto, e fargli riconoscere luci e oggetti e prendere subito una decisione, senza doversi connettere a internet. Speriamo di utilizzare memristors ad alta efficienza energetica per svolgere queste attività in loco, in tempo reale."

Ioni vaganti

Memristori, o transistor di memoria, sono un elemento essenziale nel calcolo neuromorfico. In un dispositivo neuromorfo, un memristore fungerebbe da transistor in un circuito, sebbene il suo funzionamento assomiglierebbe più da vicino a una sinapsi cerebrale, la giunzione tra due neuroni. La sinapsi riceve segnali da un neurone, sotto forma di ioni, e invia un segnale corrispondente al neurone successivo.

Un transistor in un circuito convenzionale trasmette informazioni commutando tra uno dei due soli valori, 0 e 1, e farlo solo quando il segnale che riceve, sotto forma di corrente elettrica, è di una forza particolare. In contrasto, un memristore lavorerebbe lungo un gradiente, proprio come una sinapsi nel cervello. Il segnale che produce varierebbe a seconda della forza del segnale che riceve. Ciò consentirebbe a un singolo memristore di avere molti valori, e quindi eseguire una gamma di operazioni molto più ampia rispetto ai transistor binari.

Come una sinapsi cerebrale, un memristor sarebbe anche in grado di "ricordare" il valore associato a una data forza di corrente, e produrre lo stesso identico segnale la prossima volta che riceve una corrente simile. Ciò potrebbe garantire che la risposta a un'equazione complessa, o la classificazione visiva di un oggetto, è affidabile, un'impresa che normalmente coinvolge più transistor e condensatori.

In definitiva, gli scienziati prevedono che i memristori richiederebbero molto meno spazio sul chip rispetto ai transistor convenzionali, consentendo potenti, dispositivi informatici portatili che non si basano su supercomputer, o anche connessioni a Internet.

Disegni esistenti di memristori, però, sono limitati nelle loro prestazioni. Un singolo memristore è costituito da un elettrodo positivo e negativo, separato da un "mezzo di commutazione, " o spazio tra gli elettrodi. Quando viene applicata una tensione a un elettrodo, ioni da quell'elettrodo fluiscono attraverso il mezzo, formando un "canale di conduzione" all'altro elettrodo. Gli ioni ricevuti costituiscono il segnale elettrico che il memristore trasmette attraverso il circuito. La dimensione del canale ionico (e il segnale che il memristore alla fine produce) dovrebbe essere proporzionale alla forza della tensione di stimolazione.

Kim afferma che i progetti di memristor esistenti funzionano abbastanza bene nei casi in cui la tensione stimola un ampio canale di conduzione, o un forte flusso di ioni da un elettrodo all'altro. Ma questi progetti sono meno affidabili quando i memristori devono generare segnali più sottili, attraverso canali di conduzione più sottili.

Più sottile è un canale di conduzione, e più leggero è il flusso di ioni da un elettrodo all'altro, più è difficile per i singoli ioni stare insieme. Anziché, tendono ad allontanarsi dal gruppo, dissolvenza all'interno del mezzo. Di conseguenza, è difficile per l'elettrodo ricevente catturare in modo affidabile lo stesso numero di ioni, e quindi trasmettere lo stesso segnale, quando stimolato con una certa gamma bassa di corrente.

Prestito dalla metallurgia

Kim e i suoi colleghi hanno trovato un modo per aggirare questa limitazione prendendo in prestito una tecnica dalla metallurgia, la scienza della fusione dei metalli in leghe e dello studio delle loro proprietà combinate.

"Tradizionalmente, i metallurgisti cercano di aggiungere atomi diversi in una matrice di massa per rafforzare i materiali, e abbiamo pensato, perché non modificare le interazioni atomiche nel nostro memristore, e aggiungi un elemento di lega per controllare il movimento degli ioni nel nostro mezzo, " dice Kim.

Gli ingegneri in genere usano l'argento come materiale per l'elettrodo positivo di un memristore. Il team di Kim ha esaminato la letteratura per trovare un elemento che potessero combinare con l'argento per tenere insieme efficacemente gli ioni d'argento, consentendo loro di fluire rapidamente attraverso l'altro elettrodo.

Il team è atterrato sul rame come elemento di lega ideale, in quanto è in grado di legare entrambi con l'argento, e con il silicio.

"Funziona come una sorta di ponte, e stabilizza l'interfaccia argento-silicio, " dice Kim.

Per creare memristori usando la loro nuova lega, il gruppo ha prima fabbricato un elettrodo negativo in silicio, poi realizzato un elettrodo positivo depositando una leggera quantità di rame, seguito da uno strato d'argento. Hanno inserito i due elettrodi attorno a un mezzo di silicio amorfo. In questo modo, hanno modellato un chip di silicio di un millimetro quadrato con decine di migliaia di memristori.

Come primo test del chip, hanno ricreato un'immagine in scala di grigi dello scudo di Capitan America. Hanno equiparato ogni pixel nell'immagine a un memristore corrispondente nel chip. Hanno quindi modulato la conduttanza di ciascun memristore che era relativa in intensità al colore nel pixel corrispondente.

Il chip ha prodotto la stessa immagine nitida dello scudo, ed è stato in grado di "ricordare" l'immagine e riprodurla molte volte, rispetto a trucioli di altri materiali.

Il team ha anche eseguito il chip attraverso un'attività di elaborazione delle immagini, programmare i memristori per alterare un'immagine, in questo caso della Killian Court del MIT, in diversi modi specifici, compresa la nitidezza e la sfocatura dell'immagine originale. Ancora, il loro design ha prodotto le immagini riprogrammate in modo più affidabile rispetto ai design memristor esistenti.

"Stiamo usando sinapsi artificiali per fare veri test di inferenza, " Dice Kim. "Vorremmo sviluppare ulteriormente questa tecnologia per disporre di array su larga scala per eseguire attività di riconoscimento delle immagini. E un giorno, potresti essere in grado di portare in giro cervelli artificiali per svolgere questo tipo di compiti, senza collegarsi a supercomputer, Internet, o la nuvola."

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.