Forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har byggt en supraledande switch som "lär sig" som ett biologiskt system och kan ansluta processorer och lagra minnen i framtida datorer som fungerar som den mänskliga hjärnan.

NIST -omkopplaren, beskrivs i Vetenskapliga framsteg , kallas en synaps, som dess biologiska motsvarighet, och den levererar en saknad bit för så kallade neuromorfa datorer. Tänkt som en ny typ av artificiell intelligens, sådana datorer kan öka uppfattningen och beslutsfattandet för applikationer som självkörande bilar och cancerdiagnos.

En synaps är en anslutning eller växling mellan två hjärnceller. NIST:s konstgjorda synaps - en knäböj metallcylinder med en diameter på 10 mikrometer - är som den riktiga saken eftersom den kan bearbeta inkommande elektriska spikar för att anpassa spikande utsignaler. Denna behandling är baserad på en flexibel intern design som kan anpassas efter erfarenhet eller dess omgivning. Ju mer eldning mellan celler eller processorer, desto starkare koppling. Både de verkliga och artificiella synapserna kan därmed behålla gamla kretsar och skapa nya. Ännu bättre än den riktiga, NIST -synapsen kan skjuta mycket snabbare än den mänskliga hjärnan - 1 miljard gånger per sekund, jämfört med en hjärncells 50 gånger per sekund - med bara en gnutta energi, ungefär en tiotusendel så mycket som en mänsklig synaps. Rent tekniskt sett den spetsande energin är mindre än 1 attojoule, lägre än bakgrundsenergin vid rumstemperatur och i nivå med den kemiska energin som binder två atomer i en molekyl.

"NIST -synapsen har lägre energibehov än den mänskliga synapsen, och vi känner inte till någon annan artificiell synaps som använder mindre energi, "NIST -fysikern Mike Schneider sa.

Den nya synapsen skulle användas i neuromorfa datorer gjorda av supraledande komponenter, som kan överföra elektricitet utan motstånd, och därför, skulle vara mer effektiv än andra konstruktioner baserade på halvledare eller programvara. Data skulle överföras, bearbetas och lagras i enheter med magnetiskt flöde. Superledande enheter som efterliknar hjärnceller och överföringslinjer har utvecklats, men tills nu, effektiva synapser - en avgörande del - har saknats.

Hjärnan är särskilt kraftfull för uppgifter som kontextigenkänning eftersom den behandlar data både i sekvens och samtidigt och lagrar minnen i synapser över hela systemet. En konventionell dator behandlar data endast i sekvens och lagrar minne i en separat enhet.

NIST -synapsen är en Josephson -korsning, länge använt i NIST -spänningsstandarder. Dessa korsningar är en smörgås av supraledande material med en isolator som fyllning. När en elektrisk ström genom korsningen överskrider en nivå som kallas kritisk ström, spänningspikar produceras. Synapsen använder standard niobelektroder men har en unik fyllning gjord av nanoskala klasar av mangan i en kiselmatris.

Nanoklusterna - cirka 20, 000 per kvadratmikrometer - fungera som små stavmagneter med "snurr" som kan orienteras antingen slumpmässigt eller på ett samordnat sätt.

"Det här är anpassade Josephson -korsningar, "Sa Schneider." Vi kan kontrollera antalet nanokluster som pekar i samma riktning, vilket påverkar korsningens supraledande egenskaper. "

Synapsen vilar i ett supraledande tillstånd, förutom när den aktiveras av inkommande ström och börjar producera spänningspikar. Forskare applicerar strömpulser i ett magnetfält för att öka den magnetiska ordningen, det är, antalet nanokluster som pekar i samma riktning. Denna magnetiska effekt minskar gradvis den kritiska strömnivån, gör det lättare att skapa en normal ledare och producera spänningspikar.

Den kritiska strömmen är den lägsta när alla nanokluster är inriktade. Processen är också reversibel:Pulser appliceras utan magnetfält för att minska den magnetiska ordningen och höja den kritiska strömmen. Denna design, där olika ingångar ändrar centrifugeringen och resulterande utsignaler, liknar hur hjärnan fungerar.

Synapsbeteende kan också justeras genom att ändra hur enheten tillverkas och dess driftstemperatur. Genom att göra nanoklusterna mindre, forskare kan minska pulsenergin som behövs för att höja eller sänka enhetens magnetiska ordning. Att höja arbetstemperaturen något från minus 271,15 grader C (minus 456,07 grader F) till minus 269,15 grader C (minus 452,47 grader F), till exempel, resulterar i fler och högre spänningspikar.

Avgörande, synapserna kan staplas i tre dimensioner (3-D) för att skapa stora system som kan användas för beräkning. NIST -forskare skapade en kretsmodell för att simulera hur ett sådant system skulle fungera.

NIST -synapss kombination av liten storlek, supersnabba piggsignaler, låga energibehov och 3D-staplingsförmåga kan ge medel för ett mycket mer komplext neuromorf system än vad som har visats med annan teknik, enligt tidningen.