Protonická synapse. Kredit: Ella Maru Studio, Murat Onen.

Lidský mozek představuje velice výkonný organický počítač, s unikátní strukturou neuronů a synapsí, spojů mezi neurony, které jsou dnes považovány za jednotky aktivity mozku. Tyhle synapse vytvarovala evoluce. Nejsou špatné, ale zároveň to neznamená, že nemohou existovat mnohem výkonnější synapse, mnohem rychlejší a efektivnější.

Murat Onen. Kredit: M. Onen.

Inženýři MIT, které vedl Murat Onen, vyvinul nový typ umělé synapse, která je extrémně efektivní při spotřebě energie a neméně extrémní je v rychlosti zpracování dat. Je milionkrát rychlejší než synapse v lidském mozku. Klíčem k ohromujícímu výkonu je v tomto případě analogový design, v němž se přenášejí protony namísto elektronů.

Tvůrci nových designů pro počítače se v některých případech inspirují strukturou mozku. Tímto postupem mohou vzniknout výkonnější počítače, které při provozu šetří výpočetní čas i energii. Provádějí více operací zároveň a zpracovávají data v paměti, namísto toho, aby docházelo k přenosu dat mezi různými komponenty počítače. Tento princip využívají i neurální sítě, ale mají zase svá hardwarová omezení.

Logo. Kredit: MIT.

Tým MIT šel po jednom z těchto omezení. Vyvinuli nový typ programovatelného rezistoru, který je základním stavebním prvkem analogových procesorů. U těchto rezistorů je možné nastavit, zda budou vodivé pro ionty nebo budou naopak průchod iontů blokovat. Soustava takových rezistorů může zpracovat a přenášet informaci, tak jako to dělají biologické synapse.

Rezistory týmu MIT vedou nejmenší možné ionty, čili protony, které se mohou pohybovat závratnými rychlostmi. Dalším významným vylepšením těchto rezistorů je, že využívají pevný elektrolyt z fosfosilikátového skla. Tento anorganický materiál vykazuje vysokou vodivost protonů při pokojové teplotě, díky nanopórům, které umožňují procházet protonům a zároveň blokují průchod elektronů. Pokud je na takové zařízení aplikováno dostatečně silné elektrické pole až 10 V, prolétají protony touto synapsí téměř rychlostí blesku. Výsledkem je, že takový analogový procesor/synapse funguje milionkrát rychleji než lidské synapse.

Významnou výhodou protonických synapsí je, že i při použití elektrického pole nové rezistory vydrží miliony cyklů otevření a zavření průchodu iontů. Jde o to, že protony jsou menší a méně hmotné než v předešlých případech používané ionty a méně poškozují hardware. Další věc je, že fosfosilikátové sklo je nevodič elektronů, takže skrz protonickou synapsi prochází jen nepatrné elektrické proudy. Nedochází k přílišnému ohřívání, což vede k úspoře energie. Pokud badatelé protonické synapse dotáhnou do komerční podoby, mohlo by to vést k velmi výkonným počítačům.

Literatura

New Atlas 4. 8. 2022.

Science 377: 539–543.