Исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) разработали кремниевый чип, который распределяет оптические сигналы точно через миниатюрные мозговые сетки, демонстрируя потенциальный новый дизайн для нейронных сетей.
Имитация нейронной сети
Человеческий мозг имеет миллиарды нейронов (нервных клеток), каждый из которых имеет тысячи соединений с другими нейронами. Многие вычислительные исследовательские проекты направлены на то, чтобы имитировать мозг, создавая схемы искусственных нейронных сетей. Но обычная электроника, включая электропроводку полупроводниковых схем, часто препятствует чрезвычайно сложной маршрутизации, необходимой для полезных нейронных сетей.
«Преимущества света могут улучшить работу нейронных сетей для анализа научных данных, таких как поиск планет, подобных Земле, и квантовая информатика, а также ускорить разработку высоко-интуитивных систем управления для автономных транспортных средств», – сказал сотрудник NIST Джефф Чилс (Jeff Chiles).
Обычный компьютер обрабатывает информацию через алгоритмы. Напротив, нейронная сеть опирается на сеть соединений между обрабатывающими элементами или нейронами, которые могут быть обучены распознавать определенные шаблоны стимулов. Результаты исследования были опубликованы в журнале APL Photonics.
Материалы и методы исследования
Группа ученых из NIST предлагает использовать свет вместо электричества в качестве сигнальной среды. Нейронные сети уже продемонстрировали замечательную способность решать сложные задачи, включая быстрое распознавание образов и анализ данных. Использование света устраняет помехи из-за электрического заряда, и сигналы будут двигаться быстрее и дальше. Нейронный или нейроморфный компьютер будет состоять из большой, сложной системы нейронных сетей. Описанная в новой статье микросхема NIST преодолевает серьезную проблему использования световых сигналов путем вертикальной укладки двух слоев фотонных волноводов – структур, которые ограничивают свет в узких линиях для маршрутизации оптических сигналов, так же, как проводы маршрутизируют электрические сигналы. Этот трехмерный (3D) дизайн позволяет создавать сложные схемы маршрутизации, которые необходимы для имитации нейронных систем. Кроме того, эта конструкция может быть легко расширена для включения дополнительных волноводных слоев, когда это необходимо для более сложных сетей. Фотонные волноводы образуют трехмерную сетку с 10 входами или «восходящими» нейронами, каждый из которых подключается к 10 выходам или «нисходящим» нейронам, в общей сложности 100 приемников. Волноводы изготовлены из кремниевой пластины, состоящей из нитрида кремния, и имеют ширину 800 нанометров (нм) и толщину 400 нм.
Результаты научной работы
Исследователи создали программное обеспечение для автоматической генерации маршрутизации сигналов с регулируемыми уровнями связи между нейронами. Лазерный свет был направлен в чип через оптическое волокно. Цель заключалась в том, чтобы маршрутизировать каждый вход в каждую выходную группу, следуя выбранному шаблону распределения для интенсивности света или мощности. Уровни мощности представляют собой образец и степень подключения в цепи. Авторы продемонстрировали две схемы управления выходной мощностью: однородные (каждый выход получает такую же мощность) и распределение «колокола-образной кривой» (в котором средние нейроны получают наибольшую мощность, тогда как периферические нейроны получают меньше). Чтобы оценить результаты, исследователи сделали образы выходных сигналов. Все сигналы фиксировались с помощью объектива микроскопа на полупроводниковый датчик и обрабатывались в рамках изображений. Этот метод позволяет одновременно анализировать многие устройства с высокой точностью. Выход был однородным, с низкой частотой ошибок, что подтвердило точное распределение мощности.
Выводы
«Мы действительно сделали две вещи здесь, – сказал Чилс. «Мы начали использовать третье измерение, чтобы обеспечить оптическую связь, и мы разработали новую методику измерения, чтобы быстро охарактеризовать многие устройства в фотонной системе. Оба достижения имеют решающее значение, поскольку мы начинаем увеличиваться до массивных оптоэлектронных нейронных систем».
Авторы другого исследования утверждают, что музыка способствует образованию новых нейронных связей у детей.
Ведущий специалист отдела организации клинических исследований, терапевт, врач ультразвуковой диагностики АО «СЗЦДМ» (г. Санкт-Петербург), главный редактор, учредитель сетевого издания Medical Insider, а также автор статей
E-mail для связи – [email protected];
