Российские ученые создали первый отечественный оптоэлектронный синапс

Ученые трех крупных российских научных организаций (МФТИ, ИТМО, Сколтех) совместно разработали оптоэлектронный синапс или как его еще называют гибкий мемристор с гибридным электрическим и оптическим управлением. Эта передовая разработка может в недалеком будущем стать основой для создания искусственного глаза, также возможно ее использование в составе приборов для «вычислений-в-сенсоре». Проект выполнен в рамках межвузовской программы «Клевер» в области фотоники и оптоэлектроники. Представители пресс-службы МФТИ 21 октября 2024 года подробно рассказали, что из себя представляет оптоэлектронный синапс.

До сих пор абсолютное большинство нейросетевых задач исполняется на удалённых серверах, запросы к которым мобильные устройства делают через Интернет.  Это требует огромных затрат энергии, а количество запросов со временем лишь растет.

Решить проблему призвано нейроморфное (т.е. “похожее на мозг”) аппаратное обеспечение, архитектура которого будет намного лучше “заточена” для работы с нейросетями, чем традиционные процессоры. Графические и тензорные ускорители, вроде продуктов компании Nvidia, частично справляются с задачей, но их стоимость слишком высока, а размеры всё ещё недостаточно компактны, поэтому   поместить их в каждый смартфон если и получится, то весьма нескоро. И здесь в игру вступают исследователи, разрабатывающие электронные устройства, которые по принципу работы максимально приближены к клеткам мозга.
Основные функциональные единицы мозга – это нейроны и синапсы. Нейроны – это активные клетки, которые обрабатывают входные сигналы и генерируют электрические импульсы для дальнейшего прохождения по нейронной сети, а синапсы – это места соединения между нейронами. Параметры синапсов определяет то, как сигналы передаются от одного нейрона к другому, т.е. насколько они усиливаются или ослабляются. По сути, именно эти межнейронные “мостики” или “шлюзы” и отвечают за память, а процессы обучения  являются не чем иным, как настройкой их проницаемости для электрических импульсов.

Разработчики нейроморфного “железа” ставят своей целью создание искусственных нейронов и синапсов, чтобы нейросетевые алгоритмы выполнялись на них быстро и энергоэффективно, как это происходит в мозге животных и человека. Одна из ведущих концепций в этой сфере – использование мемристоров.

Мемристор – это резистор, сопротивление которого изменяется при прохождении электрических сигналов и сохраняется в течение некоторого времени. Из-за этого мемристоры являются отличными кандидатами на роль искусственных синапсов в нейроморфных чипах. При этом чем больше разнообразного биоподобного функционала получается реализовать в мемристорах, тем лучше для потенциальных применений в будущем. 

Например, они могут быть элементами нейропроцессоров или нейроконтроллеров для использования в качестве “умных камер”, расположенных как стационарно, так и на беспилотных аппаратах. Они могут стать элементной базой «электронных нервных систем» роботов, а также применяться для энергоэффективного решения многих нелинейных задач, с которыми классические компьютеры не справляются.

Исследователи из МФТИ, ИТМО и Сколтеха смогли создать мемристор с краткосрочной памятью, управляемый гибридными сигналами – электрическими и световыми. С его помощью уже сегодня на отечественном микроэлектронном производстве и даже при имеющемся уровне технологии можно обеспечить высокую плотность расположения нейроморфных элементов на чипе, сравнимую с ведущими зарубежными аналогами.

Антон Ханас, один из ведущих разработчиков проекта, старший научный сотрудник лаборатории функциональных материалов и устройств для наноэлектроники  МФТИ, пояснил: Зрительная информация обрабатывается живыми организмами в несколько этапов. Сначала происходит детектирование на сенсорах в сетчатке: палочках и колбочках. Затем фотосигнал передается в нейроны зрительного нерва, которые генерируют импульсы для обработки в зрительной коре мозга. Нам  с коллегами удалось создать оптоэлектронный искусственный синапс на основе микрокристалла галогенидного перовскита и электродов из углеродных нанотрубок, который реализует все эти функции в одном устройстве. При этом размеры использованных микрокристаллов совпадают с размерами палочек и колбочек, а обеспечение работы устройства на гибкой подложке позволяет рассчитывать на интеграцию наших мемристоров в массивы, расположенные на изогнутой поверхности – прямо как в биологическом глазе.

Современные системы искусственного зрения, применяемые в устройствах автономного вождения или камерах для распознавания лиц, состоят из нескольких элементов: матрицы сенсоров (камеры), аналогово-цифрового преобразователя и разделённых блоков обработки (процессора) и хранения информации (память). Необходимость подготовки и передачи информации между этими элементами сказывается на скорости и эффективности работы таких систем. Поэтому в последние годы приобрела популярность концепция “вычислений-в-сенсоре” (“in-sensor computing”), т.е. вычислительная архитектура, в которой детектирование сигналов и обработка информации осуществляются в одном блоке.

Именно в этой сфере может найти применение разработка команды российских ученых. При этом изготовленный мемристор имеет поперечный размер примерно 5 х 5 мкм² и потенциально может быть масштабирован до размеров в сотни нанометров и меньше.

Ещё одной особенностью разработки является реализация сложного биоподобного функционала. Чувствительность синапсов зрительной коры головного мозга меняется в процессе жизнедеятельности организма особым образом, что описывается теорией Биененсток-Купера-Мунро (БКМ) (одним из авторов которой является Нобелевский лауреат по физике за построение теории сверхпроводимости Леон Купер).

Андрей Зенкевич, руководитель лаборатории функциональных материалов и устройств для наноэлектроники МФТИ: Мы также зафиксировали, что оказывается, если мы не светим на наши мемристоры, то они очень сильно откликаются на электрический сигнал. А если светим – они, наоборот, откликаются слабее. По аналогии с живой тканью, например, когда бледная кожа обгорает быстрее на солнце. И это находится в полном соответствии с теорией БКМ. Ранее для демонстрации такого поведения в мемристорах приходилось прибегать к сложным инженерным трюкам, а в нашем мемристоре оно реализуется просто и напрямую, как в экспериментах нейробиологов. Это вторая ценность работы. 

На следующем этапе российские ученые планируют перейти к изготовлению массивов из микрокристаллов галогенидных перовскитов, то есть приблизиться к созданию искусственной сетчатки для нейроморфных зрительных систем.

• На фото вверху: Изображение в сканирующем электронном микроскопе созданного оптоэлектронного мемристора. Источник: МФТИ.
• На фото в тексте статьи: Группа разработчиков описываемой технологии. Источник: МФТИ