Varje sökmotorfråga, varje AI-genererad text och utvecklingar som autonom körning:I en tid med artificiell intelligens (AI) och big data förbrukar datorer och datacenter mycket energi. Däremot är den mänskliga hjärnan mycket mer energieffektiv. För att utveckla kraftfullare och energisnålare datorer inspirerade av hjärnan har nu ett forskarteam från Materials Science and Electrical Engineering vid Kiel University (CAU) identifierat grundläggande krav på lämplig hårdvara.
Forskarna har utvecklat material som beter sig dynamiskt på ett liknande sätt som biologiska nervsystem. Deras resultat har publicerats i tidskriften Materials Today och skulle kunna leda till en ny typ av informationsbehandling i elektroniska system.
"Datorer bearbetar information seriellt, medan vår hjärna bearbetar information parallellt och dynamiskt. Detta är mycket snabbare och använder mindre energi, till exempel vid mönsterigenkänning", säger prof Dr. Hermann Kohlstedt, professor i nanoelektronik och talesperson för Collaborative Research Center 1461 Neurotronik vid Kiel University.
Forskarna vill använda naturen som inspirationskälla för nya elektroniska komponenter och datorarkitekturer. Till skillnad från konventionella datorchips, transistorer och processorer är de designade för att behandla signaler på ett liknande sätt som det ständigt föränderliga nätverket av neuroner och synapser i vår hjärna.
"Men datorer är fortfarande baserade på kiselteknologi. Även om det har gjorts imponerande framsteg inom hårdvara när det gäller xy, förblir nätverk av neuroner och synapser oöverträffade när det gäller anslutning och robusthet", säger Dr Alexander Vahl, en materialforskare. Forskning om nya material och processer behövs för att kunna kartlägga dynamiken i biologisk informationsbearbetning.
Forskargruppen fokuserade därför på att utveckla material som beter sig dynamiskt på ett liknande sätt som tredimensionella biologiska nervsystem. "Dynamisk" skapas här genom att arrangemanget av atomer och partiklar i materialen kan förändras. För detta ändamål har forskarna identifierat sju grundläggande principer som datorhårdvara måste uppfylla för att fungera på samma sätt som hjärnan.
Dessa inkluderar till exempel en viss grad av föränderlighet:Hjärnans så kallade plasticitet är ett krav för inlärnings- eller minnesprocesser. Materialet som forskarna tagit fram som svar på detta uppfyller flera av dessa grundläggande principer. Det "ultimativa" materialet som uppfyller allt finns dock inte ännu.
"När vi kombinerar dessa material med varandra eller med andra material öppnar vi möjligheter för datorer som går utöver traditionell kiselteknologi", säger Prof. Dr. Rainer Adelung, professor i funktionella nanomaterial. "Industrien och samhället behöver mer och mer datorkraft, men strategier som miniatyrisering av elektronik når nu sina tekniska gränser i standarddatorer. Med vår studie vill vi öppna upp nya horisonter."
Som ett exempel beskriver Maik-Ivo Terasa, doktorand i materialvetenskap och en av studiens första författare, det ovanliga beteendet hos de speciella granulära nätverk som utvecklats av forskargruppen. "Om vi producerar silver-guld nanopartiklar på ett visst sätt och applicerar en elektrisk signal visar de speciella egenskaper. De kännetecknas av en balans mellan stabilitet och en snabb förändring av deras konduktivitet." På liknande sätt fungerar hjärnan bäst när det finns en balans mellan plasticitet och stabilitet, så kallad kritikalitet.
I ytterligare tre experiment visade forskarna att både zinkoxidnanopartiklar och elektrokemiskt formade metalltrådar kan användas för att ändra nätverksbanorna via oscillatorernas elektriska ingång. När forskargruppen kopplade dessa kretsar synkroniserades deras elektriska signalavböjningar över tiden. Något liknande händer under medveten sensorisk perception med de elektriska impulser som utbyter information mellan neuroner.
Mer information: Maik-Ivo Terasa et al, Pathways to really brain-like computing primitives, Materials Today (2023). DOI:10.1016/j.mattod.2023.07.019
Journalinformation: Material idag
Tillhandahålls av Kiel University
