Blíží se doba neuromorfních čipů. Kredit: CC0 Creative Commons.

Lidský mozek na první pohled nevypadá příliš chytře, ani příliš vábně, přesto je to v řadě ohledů nejdokonalejší počítač, s jakým jsme zatím měli tu čest. I superpočítače, na které jsme tak pyšní, zvládnou jenom úzký výsek možností, které má k dispozici mozek v hlavě. Není divu, že se inženýři a vývojáři čipů snaží mozek napodobit a okopírovat jeho kvality reverzním inženýrstvím. Tak postupně vzniká neuromorfní elektronika, která se inspiruje nervovou soustavou. Výzkumný tým MIT teď v časopisu Nature Materials představil nový typ umělých synapsí, které zase o něco přibližují neuromorfní budoucnost.

Uprostřed Jeehwan Kim. Kredit: Kuan Qiao / MIT.

Dnešní počítače obvykle fungují tak, že zpracovávají záplavu nul a jedniček. Pokud by ale pronikly do šedé zóny mezi nulou a jedničkou, jak slibují třeba kvantové počítače, tak by tím dramaticky vzrostla jejich výpočetní síla. Právě tak se chovají i přírodní mozky, včetně našeho. Zatím sice jen tušíme, jak asi mozek funguje, víme ale, že zpracovává jak analogové, tak i digitální signály, zpracovává data i ukládá informace ve stejných oblastech a také to, že provádí mnoho operací zároveň. Tohle všechno lidský mozek zvládne díky 100 miliardám neuronů, tedy mozkových buněk, které jsou dynamicky propojené asi tak 100 biliony nervových spojů, synapsí.

Neurální sítě napodobují fungování mozku na úrovni softwaru. Neuromorfní čipy to dělají na úrovni hardwaru, takže jejich architektura připomíná mozkovou tkáň. Tvoří je umělé neurony, které mezi sebou komunikují umělými synapsemi. Jedním z nejvýkonnějších neuromorfních čipů je TrueNorth od IBM, společnost Intel zase nedávno představila experimentální neuromorfní čip Loihi, který vyvíjí pro výzkumné účely.

Program SyNAPSE: Platoforma s 16 neuromorfními čipy TrueNorth. Kredit: DARPA SyNAPSE.

V dosavadních neuromorfních čipech jsou synapse tvořeny amorfními materiály, které jsou uzavřeny mezi vodivými vrstvami sousedních neuronů. Problém je ale v tom, že tyto synapse nebývají úplně uniformní, což znemožňuje spolehlivou kontrolu toku iontů v materiálu synapsí a tím i přenosu dat mezi neurony.

Jeehwan Kim z MIT a jeho spolupracovníci proto navrhli nové médium pro synapse neuromorfních čipů. Jejich základem je vrstva křemíku, na které je vrstva slitiny křemíku a germania. Obě vrstvy jsou uspořádané do podoby mřížky, ale vrchní vrstva křemíku a germania má mřížku o něco hrubší, takže vrstvy vytvářejí strukturu podobnou soustavě trychtýřů, které pak usměrňují proud iontů mezi neurony.

Tým MIT nezůstal jen u designu a vyvinul simulovaný neuromorfní čip se synapsemi z křemíku a germania, které mají tloušťku asi 25 nanometrů. Když pak v počítačové simulaci otestovali fungování synapsí, tak přenášely data se srovnatelně, jako podobné systémy s jinými synapsemi. Dalším krokem bude postavení realného a funkčního neuromorfního čipu s křemík-germaniovými synapsemi. Kim se netají tím, že finální výsledkem jejich výzkumu by měl být čip o velikosti nehtu, který se vyrovná celému superpočítači. Pak by mohla začít éra neuromorních ultrapočítačů.

Literatura
MIT News 22. 1. 2018, Nature Materials online 22. 1. 2018.