Гибридные кристаллы, по данным ученых ИТМО, реагируют на свет аналогично тому, как нейроны головного мозга реагируют на сигналы. Они считают, что эти кристаллы могут стать основой для устройств, которые будут функционировать по принципу биологических нейронных сетей, что ускорит и улучшит процесс обучения искусственных нейронных сетей.
Разработка выполнена на базе безопасных для человека отечественных компонентов и отличается простотой производства. Современные искусственные интеллектуальные системы работают на классических электронных устройствах, чья мощность сопоставима с мощностью человеческого мозга. Однако их принцип работы не позволяет полностью раскрыть потенциал нейросетей.
Работающие по архитектуре Фон-Неймана нейросети ограничены в скорости решения задач из-за разделения обработки и хранения информации. Одно из возможных решений — создание устройств, функционирующих по принципу нейронной сети мозга, но остается вопрос о подходящих материалах для таких устройств.
Ученые ИТМО предложили использовать металл-органические кристаллы, которые активируются световым импульсом, имитируя поведение нейронов. По словам специалистов ИТМО, металлоорганические каркасы (MOF) — это класс новых материалов, открытых в 2000-е годы, состоящих из органических молекул и ионов металлов.
В своем исследовании ученые ИТМО использовали кристаллы на основе меди и тремизиновой кислоты. Эти материалы легко разлагаются органически и безопасны для окружающей среды, а их производство дешевле, чем у кремния.
— Если светить лазером на кристалл с паузой в одну секунду, то интенсивность его реакции на свет постепенно снижается. Если увеличить эти паузы до двух секунд — растет. Такое поведение кристаллов идентично реакциям нейронных клеток на нейромедиаторы (биологически активные вещества-возбудители, которые играют важнейшую роль в передаче информации от одного нейрона к другому). Яркий пример — воздействие на наш мозг серотонина, или «гормона радости». Чем чаще мы едим шоколад, тем меньше получаем удовольствия от него, чем реже ― тем ярче эмоции. Эта зависимость мощности реакции кристаллов от частоты излучения позволяет использовать их для нейроморфных вычислений, то есть таких логических операций, которые идентичны операциям, производимым в головном мозге, ― отметил один из авторов исследования, аспирант, младший научный сотрудник физического факультета ИТМО Семен Бачинин.
Эти кристаллы могут быстрее и эффективнее кодировать, передавать и хранить информацию при воздействии электрическими импульсами. Комбинируя электрические и световые импульсы, можно переключать кристалл между несколькими состояниями, что позволяет выполнять вычислительные операции, уточнили в пресс-службе.
Все операции происходят внутри одного кристалла, а не на разных элементах, как в традиционных электронных устройствах, что экономит время и энергию. Учёные называют этот метод «вычисления в оперативной памяти».
Этой технологией активно занимаются во всем мире, в том числе и в России. ИТМО стремится ускорить обработку данных, сохраняя экологичность производства и используя отечественные компоненты.
В экспериментах ученые ИТМО сравнили скорость и количество циклов обучения нейросети для распознавания рукописного текста на обычных устройствах и на разработанных кристаллах. Модель на новой основе быстрее и точнее распознавала текст и выполняла более 50 циклов распознавания.
Команда ИТМО подчеркивает, что использование металл-органических кристаллов для нейросетей может значительно снизить энергопотребление. Это возможно благодаря интеграции обработки и хранения данных в устройствах.
Процесс производства металл-органических каркасов не требует серьезных изменений в промышленной инфраструктуре и может быть адаптирован для существующих производственных линий. Ученым также удалось добиться стабильности и долговечности металл-органических кристаллов, что открывает перспективы для развития нейроморфных систем.