Команда лаборатории «Нейроэлектроника и мемристивные наноматериалы» Института нанотехнологий, электроники и приборостроения ЮФУ получает новые материалы для элементной базы нейроморфной электроники. В качестве активного слоя в искусственных синапсах нейропроцессоров будущего, возможно, будут использоваться пленки ниобата лития (LiNbO3).
В любом современном компьютере или смартфоне есть процессор — универсальное устройство, созданное для выполнения программ. Принципы работы традиционного процессора были заложены еще в сороковых годах прошлого века и с тех пор не особо менялись: CPU считывает команды и выполняет их по одному за цикл работы. На современных процессорах этих циклов может быть несколько миллиардов в секунду, и за счет этого человеку кажется, что его компьютер выполняет множество задач одновременно, но он все же выполняет их по очереди.
Нейроморфные процессоры работают кардинально иначе — они повторяют структуру человеческого мозга, который действительно многозадачен. Недавно подобный процессор запустила в серийное производство российская компания «Касперский», так что нейроморфная электроника — больше не научная фантастика. Однако эта технология еще очень нуждается в новых исследованиях и открытиях, способных многократно увеличить ее эффективность.
В Южном федеральном университете этим фронтиром научных исследований занимается лаборатория «Нейроэлектроника и мемристивные наноматериалы» (Нейромена). Совсем недавно младший научный сотрудник этой лаборатории Даниил Хахулин выступил на «Школе молодых ученых» в рамках Всероссийского форума «Микроэлектроника-2023». Его доклад признали лучшим среди молодых ученых России в секции «Искусственный интеллект, цифровые двойники и нейроподобные системы», работа была посвящена ниобату лития как перспективному нейроморфному материалу.
«Несмотря на внешние различия, фундаментально интегральные цепи и мозг очень похожи: и в той, и в другой системе информация представлена в виде заряда, прохождение которого ограничивается энергетическими барьерами и направляется модуляцией проводящих каналов», — рассказал Даниил Хахулин.
Базовым элементом в человеческом мозге является нейрон, или нервная клетка. Между собой нейроны связаны при помощи синапсов. Несколько десятков миллиардов нейронов составляют сложную самообучающуюся систему, до которой пока что далеко любому компьютеру. В вычислительной технике самым мелким «кирпичиком» считается транзистор: таких микроскопических элементов в типичном процессоре компьютера или смартфона имеется несколько миллиардов. Дисциплина, известная как нейроморфный инжиниринг, уже несколько десятилетий ставит перед собой задачу воспроизвести, хотя бы частично, структуру человеческого мозга в виде электронных схем.
При этом большинство специалистов в мире сошлись во мнении, что самым лучшим материалом для создания нейроморфного процессора — компьютера с «нейронами» и «синапсами» — является оксид гафния. Результаты исследований лаборатории «Нейромена» Южного федерального университета показывают, что в некоторых случаях имеет смысл рассматривать и другие материалы.
«Пленки ниобата лития (LiNbO3), полученные методом импульсного лазерного осаждения, по ряду параметров отвечают тем же требованиям, что и другие материалы для синаптических устройств. Если продолжать эксперименты с этим соединением, получать всё новые композиты на его основе, то с большой вероятностью мы однажды получим материал, превосходящий аналоги, и нейроморфные процессоры будут производиться из него», — подчеркнул Даниил Хахулин.
Ученые ЮФУ уже имеют на руках не только образцы нового материала, но и инновационные методики управления его состоянием. Изменяя ток, напряжение и длительность импульса, сотрудники лаборатории «Нейромена» ИНЭП ЮФУ научились контролировать сопротивление и пластичность ниобата лития.
«Ряд материалов снискал больше внимания исследователей в решении задач нейроморфной микроэлектроники в первую очередь благодаря сочетанию оптимальных электрофизических свойств и технологичности. Однако это не исключает поиска новых материалов для повышения эксплуатационных характеристик конечных устройств нейроэлектроники. Главным преимуществом и одновременно недостатком наших пленок LiNbO3 является высокое сопротивление. Однако гибкость технологии импульсного лазерного осаждения позволяет нам получать композитные пленки, варьируя концентрацию примеси как по толщине пленки, так и по её поверхности. Это открывает путь к поиску композита на основе LiNbO3 с наилучшим сочетанием свойств применительно к задачам нейроморфной электроники», — подытожил Даниил Хахулин.
Лаборатория «Нейроэлектроника и мемристивные наноматериалы» (Нейромена) создана в рамках проекта мегагрантов и отвечает задачам стратегического проекта ЮФУ «Интеллектуальные технологии управления и обработки информации в перспективных роботизированных комплексах и гибридных системах» федеральной программы «Приоритет-2030» (нацпроект «Наука и университеты»). Ее фундаментальной целью является разработка элементной базы гибридных нейроморфных систем на основе биосовместимых мемристивных наноматериалов и композитов на их основе. По словам ученых, разработки лаборатории могут найти применение в робототехнических системах, нейропроцессорной компьютерной архитектуре нового поколения и везде, где есть возможность внедрения систем искусственного интеллекта.
Текст: А.А. Романенко, ред: Ю.Г. Сопрунова
Краткая ссылка на новость sfedu.ru/news/73545
