22 марта 2021

Ученые Курчатовского института разработали "умные" элементы памяти

Российские ученые разрабатывают элементы компьютерной памяти, позволяющие в перспективе создать вычислительную систему, работающую по принципам человеческого мозга. Специалисты НИЦ "Курчатовский институт" создают мемристоры — уникальные ячейки памяти — из особого материала поли-п-ксилилена. Обычная ячейка памяти сохраняет только 1 бит информации. А разработанные в Курчатовском институте мемристоры запоминают до 16 различных значений (4 бит), что позволяет получить значительный выигрыш в электропотреблении.

Ученые Курчатовского института разработали электрические элементы из поли-п-ксилилена, которые в будущем могут прийти на смену бинарным транзисторам, применяемым в современных компьютерах. Нынешние программные нейросети потребляют огромное количество энергии в силу неприспособленности бинарной технологии к вычислениям, имитирующим естественные процессы нервной системы. Наш мозг потребляет всего несколько Ватт энергии, но намного превосходит существующие компьютеры по производительности в антропоморфных задачах. Новое биоподобное устройство, работающее по тем же принципам, что и синапсы мозга, получило название "мемристор", от английских слов memory — "память" и resistor — "сопротивление".

Специалисты многих стран мира работают над созданием подобных структур с 2008 года, когда было совершено первое открытие в этой области. Обычный транзистор может находиться только в одном из двух состояний: либо во включенном ("1"), либо в выключенном ("0"). Мемристор работает по иным принципам и может находиться в одном из многих состояний между "0" и "1". Это свойство, называемое пластичностью, позволяет устройству сохранять большее количество информации. Мемристоры, созданные в Курчатовском институте, запоминают не менее 16 различных значений, что соответствует 4 битам информации. Обычные ячейки компьютерной памяти сохраняют только 1 бит.

— Ключевой вопрос во всем мире по тематике создания новых мемристорных элементов заключается именно в поиске оптимальных материалов, которые будут обеспечивать нужные характеристики не только отдельных ячеек памяти, но и в целом нейронной сети, где они служат строительными блоками,

— отметил научный сотрудник лаборатории технологий искусственного интеллекта НИЦ "Курчатовский институт" Антон Миннеханов.

Главное преимущество аппаратных нейросетей на основе мемристоров — низкое энергопотребление. Например, традиционные запоминающие устройства используют в десятки раз больше энергии при записи информации, чем разработанный мемристор. Новая технология позволяет создавать вычислительные системы, имитирующие работу мозга. В такой системе мемристор может выступать в роли искусственного синапса — аналога связи между нейронами. Сила этой связи может плавно изменяться в диапазоне между логическими "0" и "1". Свойство пластичности здесь также играет ключевую роль.

Для создания мемристорных синапсов в Курчатовском институте использовали материал поли-п-ксилилен. Это вещество обладает свойством биосовместимости, поэтому микрочипы на его основе в будущем можно будет имплантировать (вживлять) в человеческий организм. Мемристор имеет характерную сэндвич-структуру: слой поли-п-ксилилена толщиной 100 нм размещается между "верхним" и "нижним" проводящими электродами.

Высокая компактность и биосовместимость разрабатываемой системы позволит использовать ее в качестве основы портативных (в том числе имплантируемых) устройств искусственного интеллекта нового поколения. Они будут перспективны для решения как бытовых, так и более сложных специальных задач (нейропротезирование, управление миниатюрной робототехникой и т.п.).

Российский научный центр "Курчатовский институт" был образован Указом Президента России в ноябре 1991 года на базе созданного в 1943 г. Института атомной энергии им. И.В.Курчатова (в то время Лаборатории N 2 Академии наук СССР) и стал первым государственным национальным научным Центром России. Центр подчинен непосредственно Правительству России и не входит в состав Российской Академии наук и отраслевых министерств.