Команда лаборатории «Нейроэлектроника и мемристивные наноматериалы» Института нанотехнологий, электроники и приборостроения Южного федерального университета получает новые материалы для элементной базы нейроморфной электроники. В качестве активного слоя в искусственных синапсах нейропроцессоров будущего, возможно, будут использоваться плёнки ниобата лития (LiNbO3).
Элементарно — не значит, просто
В любом современном компьютере или смартфоне есть процессор — универсальное устройство для выполнения программ. Принципы работы традиционного процессора были заложены ещё в 40-х 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 счёт этого человеку кажется, что его компьютер выполняет множество задач одновременно, но он всё 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 ещё очень нуждается в новых исследованиях и открытиях, способных многократно увеличить ее эффективность.
В главном университете Дона этим фронтиром научных исследований занимается лаборатория «Нейроэлектроника и мемристивные наноматериалы» (Нейромена). Недавно младший научный сотрудник этой лаборатории Даниил Хахулин выступил на «Школе молодых учёных» в рамках Всероссийского форума «Микроэлектроника-2023». Его доклад признали лучшим среди молодых учёных 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 автор исследования.
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 молодого донского учёного 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», — пояснил Даниил Хахулин.
Искусственный интеллект служит людям
Учёные университета уже имеют на руках не только образцы нового материала, но и инновационные методики управления его состоянием. Изменяя ток, напряжение и длительность импульса, сотрудники лаборатории «Нейромен» 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», — считает молодой учёный-исследователь.
Лаборатория «Нейроэлектроника и мемристивные наноматериалы» 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»). Её основная цель — разработать элементную базу гибридных нейроморфных систем на основе биосовместимых мемристивных наноматериалов и композитов на их основе.
По словам учёных, разработки лаборатории могут найти применение в робототехнических системах, нейропроцессорной компьютерной архитектуре нового поколения. А также везде, где есть возможность внедрения систем искусственного интеллекта.
