Нанодендриты от Стэнфорда: имитация структуры мозга для повышения эффективности вычислений

До сих пор нейроморфные вычисления пытались имитировать синапсы между нейронами в мозге. Однако новый подход, представленный на Международной конференции IEEE, направлен на то, чтобы действовать подобно дендритам, тонким структурам, которые отходят от ядра нейрона подобно корням дерева.

Дендриты получают сигналы от других нейронов через синапсы, передавая их от кончика к стволу в ядро. По мнению группы исследователей из Стэнфордского университета, в вычислительной технике «нанодендриты» могли бы функционировать аналогично.

Сотрудничая с производителем полупроводников GlobalFoundries, исследователи показали один такой нанодендрит на вышеупомянутой конференции IEEE. Устройство, представляющее собой модифицированный транзистор, действует как переключатель, который распознаёт последовательность импульсов напряжения длиной в микросекунду. Он пропускает ток только при правильном порядке этих импульсов, что обещает эффективную параллельную обработку в 3D-чипах, всё чаще используемых в искусственном интеллекте.

Профессор электротехники Филип Вонг отмечает, что тепло является «фундаментальной проблемой» современных 3D-чипов. Эмулируя дендриты мозга, такие чипы будут потреблять меньше энергии и, что важно, выделять гораздо меньше тепла.

Устройство сохраняет три основных элемента транзистора: исток, затвор и сток. Ключевое отличие заключается в том, что затвор устройства разбит на три части и содержит тонкий слой сегнетоэлектрического материала, позволяющего переключать поляризацию при воздействии электрического поля.

Для перемещения заряда по каналу транзистора необходимо подавать серию импульсов напряжения в правильном порядке, начиная с участка, ближайшего к источнику.

После того, как первая секция затвора получает импульс, носители заряда перетекают от источника к этой секции, а её поляризация меняется. Следующий импульс проделывает то же самое в средней секции, которая вытягивает носители заряда из первой секции. Наконец, третья секция получает импульс, завершающий проводящий канал.

Текущая итерация устройства пока что включает трёхсекционный затвор, что является простейшей версией подобной структуры, но в будущем команда из Стэнфорда планирует увеличить его сегментацию.

Кроме того, создание подобных 3D-устройств требует создания новых производственных процессов. Например, как отметил профессор Вонг, конкретно показанные чипы необходимо изготавливать при весьма низкой температуре, поэтому как наладить их эффективное массовое производство пока остаётся актуальным вопросом для исследователей.