Nopeaa tekoälylaskentaa vähällä energian käytöllä

Uusi tekoälyn alue, jota kutsutaan analogiseksi syväoppimiseksi, lupaa nopeamman laskennan murto-osalla energiankulutuksesta.

Ohjelmoitavat resistanssit ovat keskeisiä rakenneosia analogisessa syväoppimisessa. Toistamalla ohjelmoitavien vastusten ryhmiä monimutkaisissa kerroksissa tutkijat voivat luoda analogisten keinotekoisten "neuronien" ja "synapsien" verkon, jotka suorittavat laskelmia aivan kuten digitaalinen neuroverkko. Tätä verkkoa voidaan sitten kouluttaa monimutkaisiin tekoälytehtäviin kuten kuvantunnistus ja luonnollisen kielen käsittely.

Monitieteinen MIT-tutkijoiden ryhmä päätti ylittää aiemmin kehittämänsä analogisen synapsin nopeusrajoitukset. He käyttivät valmistusprosessissa epäorgaanista materiaalia, jonka ansiosta heidän laitteet toimivat miljoona kertaa nopeammin kuin heidän aiemmat versiot ja on myös noin 10 000 kertaa nopeampi kuin ihmisen aivojen synapsit.

Valittu epäorgaaninen materiaali tekee vastuksesta myös erittäin energiatehokkaan ja lisäksi se on yhteensopiva piivalmistuksen tekniikoiden kanssa.

"Laitteen toimintamekanismi on pienimmän ionin, protonin, sähkökemiallinen lisääminen eristävään oksidiin moduloimaan sen sähkönjohtavuutta. Koska työskentelemme erittäin ohuiden laitteiden kanssa, voisimme kiihdyttää näiden ionin liikettä käyttämällä vahvaa sähkökenttää, mikä ajaa nämä ioniset rakenteet nanosekuntien toimivuuteen", selittää professori Bilge Yildiz.

Biologisissa soluissa toimintapotentiaali millisekuntien luokkaa mutta uudessa ratkaisussa tutkijat käyttivät jopa 10 volttia nanomittaisen kiinteän lasikalvon yli, joka johtaa protoneja vahingoittamatta sitä pysyvästi. Mitä vahvempi jännitekenttä, sitä nopeammin ionit liikkuvat.

Tämän uuden analogisen prosessoriteknologian avainelementti tunnetaan protonisena ohjelmoitavana vastuksena. Sen konduktanssia säätelee protonien liike. Konduktanssin lisäämiseksi vastuksen kanavaan ajetaan enemmän protoneja ja johtavuuden vähentämiseksi protoneja poistetaan. Tämä saavutetaan käyttämällä elektrolyyttiä, joka johtaa protoneja, mutta blokkaa elektroneja ja siten virrankulkua.

Tämän supernopean ja erittäin energiatehokkaan ohjelmoitavan protonivastuksen kehittämiseksi tutkijat etsivät erilaisia materiaaleja elektrolyyttiä varten ja valituksi tuli epäorgaaninen fosfosilikaattilasi (PSG).

PSG mahdollistaa erittäin nopean protoniliikkeen, koska se sisältää useita nanometrin kokoisia huokosia, joiden pinnat tarjoavat reitit protonidiffuusiolle. Se myös kestää erittäin voimakkaita pulssimaisia sähkökenttiä.

"Nanosekunnin aikaskaala tarkoittaa, että olemme lähellä protonin ballistista tai jopa kvanttitunneloinnin järjestelmää tällaisen äärimmäisen kentän alla", toteavat tutkijat yliopistonsa tiedotteessa.

Aiheesta aiemmin:

Protoneista akkujen varausten siirtäjä?