مغز

این آینده ممکن است اکنون نباشد ، اما به لطف تیمی از دانشمندان و مهندسان دانشگاه A&M در تگزاس و کشف اخیر آنها از یک تقلید مبتنی بر مواد برای سیگنالهای عصبی مسئول انتقال اطلاعات در مغز انسان ، یک گام نزدیکتر است.

تیم چند رشته ای ، به سرپرستی شیمیدان تگزاس A&M Sarbajit Banerjee با همکاری مهندس برق و کامپیوتر تگزاس A&M R. استنلی ویلیامز و همکاران اضافی در سراسر آمریکای شمالی و خارج از کشور ، مکانیسم تعویض الکتریکی مانند نورون را در ماده جامد β کشف کرده است. -Cu x V 2 O 5 - به طور خاص ، چگونه معکوس می شود بین انجام رفتار و عایق کاری در دستور کار.

این تیم با نگاهی جدید به β'-Cu x V 2 O 5 ، یک ماده قابل توجه مانند آفتاب پرست که با تغییر دما یا یک محرک الکتریکی کاربردی ، می تواند سازوکار اساسی این رفتار را روشن کند . در این فرآیند ، آنها چگونگی حرکت یون های مس در داخل مواد را صفر کردند و چگونه این رقص ظریف به نوبه خود الکترون ها را به اطراف می چرخاند تا آن را دگرگون کند. تحقیقات آنها نشان داد که حرکت یون های مس پایه اصلی تغییر در هدایت الکتریکی است که می تواند برای ایجاد سنبله های الکتریکی به همان روشی که عملکرد سلول های عصبی در سیستم عصبی مغزی انجام می شود - قدم بزرگی در جهت توسعه مدار است که مانند انسان کار می کند. مغز

مقاله نتیجه آنها ، که شامل دانشجویان فارغ التحصیل شیمی A&M در تگزاس ، Abhishek Parija (هم اکنون در شرکت Intel) ، جاستین اندروز و جوزف هندی به عنوان اولین نویسندگان است ، در تاریخ 27 فوریه در مجله Cell Press Matter منتشر می شود .


در تلاش خود برای توسعه حالت های جدید محاسبات با انرژی کارآمد ، گروه گسترده ای از همکاران سرمایه خود را برای دستیابی به آنچه که به عنوان محاسبات عصبی و یا محاسبات طراحی شده برای تکثیر قابلیت های منحصر به فرد مغز و کارآیی های بی بدیل شناخته شده است ، به دست می آورند.

ویلیامز گفت: "طبیعت برای تقلید از پردازش اطلاعاتی که در مغز انجام می شود به ما مواد با انواع مناسب رفتار داده است ، اما مواردی که تا به امروز مشخص شده اند محدودیتهای مختلفی دارند." "اهمیت این کار نشان دادن این است که شیمی دانان می توانند با استفاده از روشهای منطقی ، مواد فعال الکتریکی را با خصوصیات عصبی مورب بهبود بخوبی طراحی و ایجاد کنند. همانطور که بیشتر درک می کنیم ، مواد ما به میزان قابل توجهی بهبود می یابند ، بنابراین راه جدیدی را برای پیشرفت مداوم تکنولوژیکی تواناییهای محاسباتی ما فراهم خواهیم کرد. ""

در حالی که به نظر می رسد تلفن های هوشمند و لپ تاپ های هوشمند با هر تکرار براق تر و سریع تر می شوند ، پاریا خاطرنشان می کند که مواد جدید و پارادایم های محاسباتی که از محدودیت های متعارف رها می شوند ، برای پاسخگویی به سرعت و تقاضای کارآیی انرژی که باعث کاهش توانایی های تراشه های رایانه سیلیکونی می شود ، مورد نیاز هستند. محدودیتهای اساسی آنها از نظر بهره وری انرژی. محاسبات نورومورفیک یکی از این رویکردها است و دستکاری در رفتار جابجایی در مواد جدید یک راه برای رسیدن به آن است.

"فرض اصلی - و با تمدید نوید اصلی - محاسبات عصبی این است که ما هنوز راهی برای انجام محاسبات به روشی پیدا نکرده ایم که به همان اندازه کارایی که نورون ها و سیناپس ها در مغز انسان دارند ، کارآمد باشد." گفت اندروز ، یکی از همکاران تحقیقات فناوری فضایی ناسا. "بیشتر مواد عایق بندی شده هستند (رسانا نیستند) ، فلزی (رسانا) یا جایی در وسط. با این وجود برخی از مواد می توانند بین دو حالت تغییر کنند: عایق (خاموش) و رسانا (روشن) تقریباً به دستور."

هندی با استفاده از ترکیبی گسترده از تکنیک های محاسباتی و آزمایشی ، گفت که تیم قادر است نه تنها نشان دهد که این ماده تحت گذار ناشی از تغییر دما ، ولتاژ و قدرت میدان الکتریکی قرار دارد که می تواند برای ایجاد مدارهای مانند نورون مورد استفاده قرار گیرد بلکه به طور جامع چگونگی وقوع این انتقال را توضیح دهید. بر خلاف سایر مواد که دارای انتقال عایق فلزی (MIT) هستند ، این ماده به حرکت یون های مس در یک شبکه سخت وانادیوم و اکسیژن متکی است.

هندی اضافه کرد: "ما اساساً نشان می دهیم که یک حرکت کوچک یونهای مس در داخل ساختار تغییر بزرگی در هدایت در کل مواد ایجاد می کند." "به دلیل این حرکت یون های مس ، مواد از عایق به انجام در پاسخ به تغییرات بیرونی دما ، ولتاژ اعمال شده یا جریان اعمال شده تبدیل می شوند. به عبارت دیگر ، اعمال یک پالس الکتریکی کوچک به ما امکان می دهد مواد را تغییر داده و اطلاعات را در داخل آن ذخیره کنیم. همانطور که در یک مدار کار می کند ، دقیقاً مانند عملکرد نورونها در مغز. "

اندروز رابطه بین حرکت یون مس و الکترون های موجود در ساختار وانادیوم را به یک رقص تشبیه می کند.

اندروز گفت: "هنگامی که یون های مس حرکت می کنند ، الکترون های موجود در شبکه وانادیوم به صورت هماهنگ حرکت می کنند و حرکت یون های مس را آینه می کنند." "به این ترتیب ، حرکات بسیار باورنکردنی یون های مس باعث ایجاد تغییرات الکترونیکی بزرگی در شبکه وانادیوم و بدون ایجاد تغییرات قابل توجه در پیوند وانادیم - وانادیوم می شوند. مثل این است که اتمهای وانادیوم" ببینند "آنچه مس انجام می دهد و پاسخ می دهد."

انتقال ، ذخیره سازی و پردازش داده ها در حال حاضر حدود 10 درصد از مصرف جهانی انرژی را تشکیل می دهد ، اما بانرژه می گوید برون یابی ها نشان می دهد که تقاضا برای محاسبه چندین برابر بیشتر از عرضه انرژی جهانی پیش بینی شده تا سال 2040 خواهد بود. برای دیدگاه های تحول گرا ، از جمله اینترنت اشیاء ، حمل و نقل خودمختار ، زیرساخت های مقاوم در برابر بلایا ، داروهای شخصی شده و سایر چالش های بزرگ اجتماعی که در غیر این صورت از ناتوانی فن آوری های رایانش کنونی برای رسیدگی به بزرگی و پیچیدگی انسان و ماشین تولید می شود. داده ها. او می گوید یکی از راه های خارج شدن از محدودیت های فن آوری رایانه رایج گرفتن نشانه ای از طبیعت است - بخصوص ، مدار عصبی مغز انسان ،

بانرژ گفت: "برای تقلید از عناصر اساسی عملکرد عصبی در مدارهای مصنوعی ، ما به مواد جامد نیاز داریم که بی ثباتی الکترونیکی را به نمایش بگذارند ، که مانند نورونها می توانند اطلاعات را در وضعیت داخلی خود و در زمان وقایع الکترونیکی ذخیره کنند." "کار جدید ما به بررسی مکانیسم های اساسی و رفتار الکترونیکی از ماده ای که چنین ناپایداری هایی را نشان می دهد ، می پردازیم. محاسبه دستگاه از حسابی ساده به هوش مغز مانند در حالی که به طور چشمگیر باعث افزایش توان و کارایی انرژی پردازنده ها می شود. "

از آنجا که مؤلفه های مختلفی که عملیات منطقی ، حافظه ذخیره و داده های انتقال را کنترل می کنند ، همه در معماری رایانه رایج از یکدیگر جدا هستند ، بانرژجی می گوید که آنها از ناکارآمدی ذاتی در مورد زمان پردازش اطلاعات و چگونگی نزدیکی جسمی توسط یکدیگر گرفتار هستند. عناصر می توانند قبل از زباله های حرارتی باشند و الکترون ها به طور تصادفی تونل سازی بین اجزا به مشکلات اساسی تبدیل می شوند. در مقابل ، در مغز انسان ، منطق ، حافظه و انتقال داده ها به طور هم زمان در شلیک به موقع نورون هایی که به طور متراکم در شبکه های 3 بعدی D fanned به هم پیوسته اند ، ادغام می شوند. در نتیجه ، سلولهای عصبی مغز اطلاعات را در 10 برابر ولتاژ پایین تر و تقریبا 5000 برابر انرژی عمل سیناپسی پایین تر در مقایسه با معماری های محاسباتی سیلیکون پردازش می کنند.

هندی خاطرنشان ساخت: این تیم هنوز هم باید بهینه سازی بسیاری از پارامترها ، مانند درجه حرارت انتقال و سرعت سوئیچینگ به همراه بزرگی تغییر در مقاومت الکتریکی. با تعیین اصول اساسی MIT در β'-Cu x V 2 O 5 به عنوان ماده نمونه اولیه در یک میدان گسترده کاندیداها ، با این حال ، این تیم نقوش طراحی خاص و پارامترهای شیمیایی قابل تنظیم را شناسایی کرده اند که در نهایت اثبات می شود در طراحی مواد محاسبات نورومورفیک در آینده ، تلاش عمده ای که توسط برنامه A-M Grant Grant تگزاس انجام شده است.

پاریا گفت: "این کشف بسیار هیجان انگیز است زیرا زمینه ساز باروری برای ایجاد اصول طراحی جدید برای تنظیم ویژگی های مواد می باشد و همچنین رویکردهای جدیدی را برای محققان در زمینه تفکر درباره بی ثباتی الکترونیکی با کارآیی پیشنهاد می کند." "دستگاه هایی که دارای محاسبات عصبی مورب هستند وعده می دهند که راندمان انرژی بهبود یافته است که محاسبات مبتنی بر سیلیکون هنوز آنها را تحویل نداده است ، و همچنین پیشرفت های عملکرد در محاسبات مانند چالش های الگویی را بهبود می بخشد - وظایفی که مغز انسان بویژه برای مقابله با آنها مجهز است. ما در این کار یک قدم را به تحقق محاسبات نورومورفیک نزدیکتر کرده و به نوبه خود واقعی کردن تمام مزایای اجتماعی و وعده های کلی که با آن انجام می شود ".

این پروژه چند ساله اعضای تیم را از چهار رشته (شیمی ، فیزیک ، علوم مواد و مهندسی و مهندسی برق و کامپیوتر) و محققان از دانشگاه A&M Texas ، آزمایشگاه ملی لارنس برکلی ، دانشگاه بوفالو ، دانشگاه بینگامتون و دانشگاه A&M تگزاس درگیر می کند. قطر ضمن اتکا به کارهایی که در آزمایشگاه برکلی The The Molecular ریخته گری و منبع نور پیشرفته (ALS) ، منبع فوتون پیشرفته (APS) در آزمایشگاه ملی آرگون و منبع نور کانادا انجام شده است. این تحقیق در ابتدا توسط بنیاد ملی علوم (گرانت شماره DMR 1809866) با پشتیبانی اضافی از A&M X-Grant تگزاس و صندوق تحقیقات ملی قطر تأمین شد.
 

منبع داستان:

مواد ارائه شده توسط دانشگاه A&M تگزاس . توجه: ممکن است محتوا به سبک و طول ویرایش شود.