В статье, опубликованной в журнале Science 25 апреля, команда сообщает, что набор прототипов из девяти из этих устройств показал даже лучшие, чем ожидалось, скорость обработки, энергоэффективность, воспроизводимость и долговечность.
Заглядывая вперед, члены команды хотят объединить свой искусственный синапс с традиционной электроникой, что, как они надеются, может стать шагом к поддержке обучения с искусственным интеллектом на небольших устройствах.
«Если у вас есть система памяти, которая может обучаться с такой же энергоэффективностью и скоростью, как мы представили, то вы можете поместить ее в смартфон или ноутбук», – сказал Скотт Кин, соавтор статьи и аспирант в лаборатория Альберто Саллео, профессора материаловедения и инженерии в Стэнфорде, который является соавтором. "Это откроет доступ к способности обучать наши собственные сети и решать проблемы локально на наших собственных устройствах, не полагаясь при этом на передачу данных."
Плохая батарея, хороший синапс
Искусственный синапс команды похож на батарею, модифицированную так, чтобы исследователи могли увеличивать или уменьшать поток электричества между двумя терминалами. Этот поток электричества имитирует то, как обучение запрограммировано в мозгу.
Это особенно эффективный дизайн, потому что обработка данных и хранение в памяти происходят за одно действие, а не в более традиционной компьютерной системе, где данные сначала обрабатываются, а затем перемещаются в хранилище.
Наблюдение за тем, как эти устройства работают в массиве, является важным шагом, потому что это позволяет исследователям одновременно программировать несколько искусственных синапсов.
Это занимает гораздо меньше времени, чем программирование каждого синапса по отдельности, и сравнимо с тем, как на самом деле работает мозг.
В предыдущих тестах более ранней версии этого устройства исследователи обнаружили, что их обработка и память требуют примерно одной десятой энергии, необходимой современной вычислительной системе для выполнения конкретных задач. Тем не менее, исследователи обеспокоены тем, что сумма всех этих устройств, работающих вместе в больших массивах, может потребовать слишком много энергии. Таким образом, они переоборудовали каждое устройство, чтобы оно проводило меньше электрического тока, что сделало их батареи намного хуже, но сделало массив еще более энергоэффективным.
Массив 3 на 3 основан на устройстве второго типа, разработанном Джошуа Янгом из Массачусетского университета в Амхерсте, который является соавтором статьи, которое действует как переключатель для программирования синапсов в массиве.
"Все необходимое для подключения потребовало много усилий по устранению неполадок и большого количества проводов. Мы должны были убедиться, что все компоненты массива работают согласованно, – сказал Армантас Мелианас, научный сотрудник лаборатории Salleo. "Но когда мы увидели, что все загорелось, это было похоже на новогоднюю елку.
Это был самый волнующий момент."
Во время тестирования массив превзошел ожидания исследователей. Он работал с такой скоростью, что команда предсказывает, что следующую версию этих устройств нужно будет протестировать со специальной высокоскоростной электроникой.
После измерения высокой энергоэффективности в массиве 3 на 3 исследователи провели компьютерное моделирование большего массива синапсов 1024 на 1024 и подсчитали, что он может питаться от тех же батарей, которые в настоящее время используются в смартфонах или небольших дронах. Исследователи также смогли переключить устройства более миллиарда раз – еще одно свидетельство его скорости – без какого-либо ухудшения его поведения.
«Оказывается, полимерные устройства, если с ними хорошо обращаться, могут быть такими же устойчивыми, как и традиционные аналоги из кремния.
С моей точки зрения, это было, пожалуй, самым удивительным аспектом ", – сказал Саллео. «Для меня это меняет то, как я думаю об этих полимерных устройствах с точки зрения надежности и того, как мы могли бы их использовать."
Простор для творчества
Исследователи еще не представили свой массив для тестов, которые определяют, насколько хорошо он обучается, но это то, что они планируют изучить. Команда также хочет увидеть, как их устройство выдерживает различные условия, такие как высокие температуры, и поработать над его интеграцией с электроникой.
Осталось ответить на множество фундаментальных вопросов, которые могут помочь исследователям понять, почему их устройство так хорошо работает.
«Мы надеемся, что больше людей начнут работать над этим типом устройств, потому что не так много групп, специализирующихся на этой конкретной архитектуре, но мы думаем, что это очень многообещающе», – сказал Мелианас. "Есть еще много возможностей для совершенствования и творчества. Мы едва коснулись поверхности."