Железяка с сознанием. Ученые обнаружили материал, который приведет к революции в сфере полупроводников

Стекло, которое помнит

В новом исследовании ученых из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) речь идет о диоксиде ванадия (VO2), — неорганическом соединении черно-синих кристаллов, которое используют в некоторых терморезисторах, а также в качестве стеклянного покрытия для блокировки инфракрасного излучения.

Швейцарские электротехники выяснили, что это соединение может «запоминать» предыдущие внешние состояния в зависимости от условий окружающей среды.

Ученые предполагают, что эта особенность материала позволит использовать его в новом поколении электронных устройств. В частности, для обработки и хранения данных.

«Эти стеклянные функциональные устройства могут превзойти обычную электронную схему металл-оксид-полупроводник с точки зрения скорости, энергопотребления и миниатюризации, а также обеспечить путь к нейроморфным вычислениям и многоуровневой памяти», — заявил ведущий автор исследования Мохаммад Самизаде Нику.

В последние годы диоксид ванадия все чаще предлагают использовать в качестве альтернативы кремнию при производстве ряда электронных устройств.

Дело в том, что до температурного порога в 68 градусов по Цельсию это соединение проявляет себя как изолятор, а выше этого порога диоксид ванадия становится металлом с очень хорошей проводимостью.

Так называемый «переход изолятор-металл» происходит из-за изменения решетчатой структуры атомов VO2.

В новом исследовании ученые из Швейцарии обнаружили, что соединение не только может возвращаться в исходное состояние, но и запоминает свою недавнюю активность.

Во время экспериментов с воздействием электрического тока на материал электротехники заметили, что после нескольких изменений состояния подряд диоксид ванадия запоминает фазовые переходы и может предвидеть их.

«Мы не ожидали увидеть такой эффект памяти, и он не имеет ничего общего с электронными состояниями, а скорее с физической структурой материала. Это новое открытие: ни один другой материал не ведет себя подобным образом», — объяснил инженер-электрик Элисон Матиоли из EPFL.

Ученые пришли к выводу, что VO2 может хранить информацию о последнем изменении состояния не менее трех часов. Матиоли предполагает, что этот период может быть гораздо более длительным, но пока у авторов открытия нет научных инструментов для того, чтобы проверить это.

Путь к роботам с сознанием

Исследователи считают, что процесс изменения и запоминания состояний VO2 похож на работу нейронов мозга, которые также выполняют функцию обработки и хранения информации.

Учитывая эту особенность, инженеры планируют разработать на основе диоксида ванадия первый высокоскоростной, объемный и масштабируемый нейроморфный процессор, который будет работать по аналогии с биологическими нервными клетками мозга живого организма.

В 2018 году ученые из EPFL получили 3,9 млн евро от правительства ЕС для разработки перспективных приложений на основе новой технологии.

Этим полупроводником также заинтересовались компании Thales of France и швейцарское отделение IBM Research, а также несколько университетов, включая Институт физики Общества Макса Планка в Германии и Кембриджский университет в Великобритании.

По состоянию на сегодня, нейроморфные процессоры на основе VO2 являются одним из наиболее перспективных направлений для разработки устройств связи с космическими аппаратами, а также автономных систем управления автомобилями.

Дальнейшие исследования позволят развить возможности применения этого материала в электронных устройствах со сверхмалым энергопотреблением.

В 2018 году ученые из Манчестерского университета также запустили самый мощный нейроморфный суперкомпьютер SpiNNaker (Spiking Neural Network Architecture). В основе устройства лежат более одного миллиона процессоров общей стоимостью почти $20 млн.

Главная задача этого компьютера — моделирование работы человеческого мозга. На основе результатов вычислений SpiNNaker ученые планировали разрабатывать мощнейшие нейронные сети.

Суперкомпьютер также может воссоздавать базальные ганглии (ядра) — участки мозга, которые поражаются при болезни Паркинсона. Это может помочь в фармацевтических исследованиях и поисках лекарств для неизлечимых болезней.

«Мы не до конца понимаем функцию основной кортикальной микросхемы, хотя теперь мы можем ее смоделировать, и эти модели воспроизводят данные, поддающиеся биологической проверке. Теперь нам нужны теории о том, что делает схема и как она это делает, чтобы мы могли использовать новые модели для проверки», — заявлял недавно руководитель проекта SpiNNaker профессор Стив Фербер.

По его словам, сейчас нейроморфный суперкомпьютер находится в самом начале своего пути, и в ближайшее время его планируют использовать для создания роботизированных устройств с большим уровнем осведомленности об окружающей среде и большим уровнем взаимодействия с этой средой.