Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 

Что внутри нейроморфного чипа?

Ключевые слова:  IBM, нейроморфный чип, периодика

Автор(ы): Смирнов Евгений Алексеевич

Опубликовал(а):  Гольдт Илья

19 августа 2014



После недавнего анонса нейроморфного чипа от IBM, настало время познакомиться с тем, как работа реальных нейронов переносится в железо нейроморфных чипов. А поможет нам в этом статья, опубликованная в ACSNano, о трёхмерном электронном синапсе.


Одной из основных компонент нейроморфным вычислений, в общем, и нейроморфных чипов, в частности, является синапс или система передачи возбуждения от нейрона к нейрону, ибо сам нейрон зачастую представляет собой лишь металлическую ленту, проводник. Синапс в нервной ткани – место контакта между двумя нейронами или между нейроном и получающей сигнал эффекторной клеткой, которое служит для передачи нервного импульса.


Основные элементы нервной клетки

По механизму передачи такого импульса синапсы можно разделить на химические – то есть с помощью молекул нейромедиаторов – и электрические – то есть за счёт «пробоя» межклеточной жидкости электрическим импульсом. Электрические синапсы представляют собой пару клеточных мембран, находящихся на очень близком расстоянии (всего несколько нм) друг от друга за счёт особых белков, которые и выполняют функции по переносу возбуждения.

Обычно данные о конкретном устройстве или используемой модели нейроморфного чипа и типе соединений в нём нейронов в сеть является ноу-хау и предметом NDA (not-disclosure agreement), однако в чисто научных, не относящихся к индустрии публикациях можно подчерпнуть немало информации об их устройстве.

Итак, группа китайских и американских учёных из Пекинского университета, Станфорда и Аризонского университета опубликовали статью в журнале ACSNano, посвящённую разработке нового трёхмерного и потребляющего ультра малые количества электроэнергии электронного синапса, схема которого представлена на рисунке:


(a) Обычный 2D массив для электрической нейросети, где каждый синапс находится на пересечение проводящих линий пре-нейрона и пост-нейрона. (b) Электрическая схема концепта с синапсами на основе устройства с переключаемым сопротивлением (resistive switching device). (с) Максимально компактная схема расположения синапсов (high-density application). (d) Схема расположения синапсов для вычислений с максимальной точностью (high-accuracy computation). (e) TEM-изображение поперечного среза полученного электрического синапса.

Основой разработки стали материалы с переключаемым сопротивлением, например, HfOx или HfOx/AlOy, которые в зависимости от длительности и амплитуды приложенного напряжения могут изменять свои резистивных свойства в широких пределах – потенциально более 3 порядков от 103 до 106 Ом. Происходит такое переключение за счёт миграции и перестройки кислородных вакансий внутри оксидов.

И для того, чтобы проверить электронные синапсы в деле, был создан двухслойный нейроморфный чип, первый слой которого состоял из 32 x 32 нейронов, чувствительных к яркости пикселей, а второй – из 16 нейронов кортекса, соединённых обычными или трёхмерными электрическими синапсами. Результаты на лицо: трёхмерный электронный синапс даёт лучшее распознавание по сравнению с обычным за счёт меньшего отклонения сопротивления. При этом тренировка проходит при пониженном электропотреблении импульсами в 50 нс, при напряжении ниже 2.5В и токе ниже 0.3 мкA


(a) Обилие кислородных вакансий приводит к низкому сопротивлению и, наоборот, (b) их недостаток означает высокое сопротивление и низкий ток. (с) Отклонение сопротивления в зависимости от затраченной энергии. (d) Паттерн, используемый для тренировки системы. (e-f) Паттерны, полученные с помощью обычной нейросети и созданной на базе трёхмерных синапсов, соответственно. (g) Точность распознавания.

В сравнении с примитивной двумерной нейросетью синапсов, разработанное устройство выглядит неимоверно сложно, однако используемые материалы относительно дёшевы и повсеместно распространены в электронной промышленности, что, по уверениям авторов работы, делает возможным производство подобных нейроморфных чипов с крайне низкой себестоимостью.

Оригинальная статья в ACSNano (DOI: 10.1021/nn501824r)


В статье использованы материалы: ACSNano (DOI: 10.1021/nn501824r), habrahabr


Средний балл: 10.0 (голосов 3)

 


Комментарии
Пастух Евфграфович, 19 августа 2014 15:52 
Палии Наталия Алексеевна, 20 октября 2014 16:14 
замечательная статья - - перечитала после объявления лауревтов Нобелевской премии (по медицине)

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Околесица.  Нановелосипедик.
Околесица. Нановелосипедик.

4 февраля объявили лауреатов V Всероссийской премии «За верность науке»
4 февраля в здании Минобрнауки РФ состоялась торжественное награждение лауреатов V Всероссийской премии «За верность науке». 11 научно-просветительских проектов были отмечены престижной наградой.

Всероссийский съезд учителей и преподавателей химии
5 февраля в Московском университете в Шуваловском корпусе МГУ состоится Всероссийский съезд учителей и преподавателей химии, посвященный Международному году Периодической таблицы химических элементов, начало - 10 часов.

II Всероссийский химический диктант пройдет 18 мая 2019 года
В 2019 году периодическому закону Дмитрия Менделеева исполнится 150 лет! В честь великого открытия этот год объявлен Международным годом Периодической таблицы химических элементов. Одним из наиболее ярких событий, приуроченных к этому году, станет II Всероссийский химический диктант, который пройдет 18 мая и который в этом году выходит на международный уровень. Мероприятие было анонсировано в рамках церемонии открытия Международного года Периодической таблицы химических элементов 29 января 2019 года в Париже, в штаб-квартире ЮНЕСКО.

Самые необычные таблицы Менделеева на выставке Международного года Периодической таблицы химических элементов

6-8 февраля в Российской академии наук состоялось торжественное открытие Международного года периодической таблицы химических элементов в России и приуроченная к этому масштабная интерактивная выставка

Почувствовать живое...
Е.А.Гудилин, А.А.Семенова, Н.А.Браже
Неразрушающее исследование живых клеток и клеточных структур является в настоящее время важным направлением научных изысканий, которые во многих зарубежных и российских научных группах направлены на достижение вполне прагматической цели – разработку новых принципов биомедицинской диагностики и эффективных подходов в нарождающейся персональной медицине.

Российская газета: Перевернуть пирамиду. Президент РАН: как повысить наши шансы на Нобеля
Юрий Медведев
Почему Россия по числу Нобелей отстает от ведущих стран мира, уступая, например, даже маленькой Швейцарии? Замалчиваются ли достижения отечественных ученых? Почему без привлечения в науку российского бизнеса мы не сможем успешно конкурировать в борьбе за престижную научную премию? Об этом корреспондент "РГ" беседует с президентом РАН Александром Сергеевым, который побывал в Стокгольме на вручении Нобелевских премий и поделился своими впечатлениями.

Инновационные системы: достижения и проблемы
Олег Фиговский, Валерий Гумаров

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!

Опыт обучения в области нанотехнологического технопредпринимательства

В этом опросе мы просим поделиться опытом и Вашим отношением к нанотехнологическому технопредпринимательству и смежным областям. Заранее спасибо за Ваше неравнодушие!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.