Aksonia jäljittelevät materiaalit tietojenkäsittelyyn

Texas A&M -yliopiston, Sandia National Lab - Livermoren ja Stanfordin yliopistojen tutkijoiden ryhmä ottaa oppia aivoista suunnitellakseen materiaaleja tehokkaampaa laskentaa varten.

Uusi löydetty materiaaliluokka on ensimmäinen laatuaan sillä se jäljittelee aksonin käyttäytymistä siirtämällä spontaanisti sähköistä signaalia sen kulkiessa siirtolinjaa pitkin. Nämä havainnot voivat olla kriittisiä tietojenkäsittelyn ja tekoälyn tulevaisuuden kannalta.

Metallisissa johteissa etenevä sähköinen signaali menettää amplitudiaan metallin luonnollisen resistanssin vuoksi. Nykyiset prosessointiyksiköt voivat sisältää jopa 30 mailia hienoja kuparijohteita sähköisten signaalien siirtoon. Joskus näille linjoille on liitettävä jopa lisävahvistusta.

Tähän liittyvien ongelmien torjumiseksi tutkijat ottivat inspiraatiota aksoneista. Aksonit ovat osa selkärankaisten hermosolua tai neuronia, ja voivat johtaa sähköimpulsseja ulos hermosolusta.

Biologia tekee siirron eri tavalla: jotkut signaalit myös aivoissa välittyvät vain senttimetrin etäisyyksille, mutta silti aksonien kautta. Aksonit rakentuvat paljon resistiivisemmistä orgaanisista aineista ja silti signaaleja ei koskaan vahvisteta.

Kuten aksonien antama malli, tässä tutkimuksessa löydetyt materiaalit ovat tietyssä tilassa, jolloin ne voivat spontaanisti vahvistaa jännitepulssia sen kulkiessa aksonia pitkin. Tutkijat käyttivät hyväkseen lantaanikobolttioksidin elektronista faasimuutosta, joka saa sen lämpimänä johtamaan sähköä paljon paremmin. Tämä ominaisuus on vuorovaikutuksessa pienten lämpömäärien kanssa, joita syntyy signaalin kulkiessa materiaalin läpi, mikä tuottaa positiivisen takaisinkytkentäsilmukan.

Tuloksena on joukko eksoottisia käyttäytymismalleja, joita ei havaita tavallisissa passiivisissa sähkökomponenteissa kuten pienten häiriöiden vahvistuminen, negatiiviset sähköiset resistanssit ja epätavallisen suuret vaihesiirrot vaihtovirtasignaaleissa.

Tutkijoiden mukaan nämä materiaalit ovat ainutlaatuisia, koska sähköiset pulssit eivät niissä heikkene eivätkä osoita lämpökarkaamista ja täyttä vaimenemista. Sen sijaan materiaali värähtelee luonnollisesti, jos sitä pidetään vakiovirtaolosuhteissa. Tutkijat päättivät, että he voisivat valjastaa tämän käytöksen luomaan piikityskäyttäytymistä ja vahvistamaan signaalia, joka kulkee siirtolinjaa pitkin.

”Hyödynnämme materiaalin sisäisiä epävakauksia, jotka jatkavat sähköisen pulssin vahvistamista sen kulkiessa siirtolinjaa pitkin. Vaikka toinen kirjoittajamme tohtori Stan Williams on aikoinaan teoriassa ennustanut tämän käyttäytymisen, tämä on ensimmäinen vahvistus sen olemassaolosta, toteaa Patrick Shamberger,"

Nämä havainnot voivat olla kriittisiä tulevaisuuden tietojenkäsittelyssä, jossa vaaditaan yhä vähäisempää energian käyttöä.

Pitkällä aikavälillä se on askel kohti dynaamisten materiaalien ymmärtämistä ja biologisen inspiraation käyttöä tehokkaamman laskennan edistämiseksi.

Aiheesta aiemmin:

Ihmisen aivosoluilla toimiva tietokone?

Elektroniset neuronit ja synapsit yhteistoimintaan

Astrosyytit tekoälyn tehostajiksi