Emulazione simultanea della plasticità sinaptica e intrinseca utilizzando una sinapsi memristiva
L’emulazione simultanea delle proprietà neuronali e sinaptiche promuove lo sviluppo dell’intelligenza artificiale simile al cervello
I ricercatori hanno segnalato un dispositivo di memoria neuromorfica di dimensioni nanometriche che emula neuroni e sinapsi simultaneamente in una cellula unitaria, un altro passo verso il completamento dell’obiettivo del calcolo neuromorfico progettato per imitare rigorosamente il cervello umano con dispositivi a semiconduttore.
Il calcolo neuromorfico mira a realizzare l’intelligenza artificiale (AI) imitando i meccanismi dei neuroni e delle sinapsi che compongono il cervello umano. Ispirati dalle funzioni cognitive del cervello umano che i computer attuali non sono in grado di fornire, i dispositivi neuromorfici sono stati ampiamente studiati. Tuttavia, gli attuali circuiti neuromorfici basati su CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) collegano semplicemente neuroni artificiali e sinapsi senza interazioni sinergiche e l’implementazione concomitante di neuroni e sinapsi rimane ancora una sfida. Per affrontare questi problemi, un gruppo di ricerca guidato dal professor Keon Jae Lee del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali ha implementato i meccanismi di funzionamento biologico degli esseri umani introducendo le interazioni neurone-sinapsi in una singola cellula di memoria,
Simili alle schede grafiche commerciali, i dispositivi sinaptici artificiali studiati in precedenza erano spesso utilizzati per accelerare i calcoli paralleli, il che mostra chiare differenze rispetto ai meccanismi operativi del cervello umano. Il team di ricerca ha implementato le interazioni sinergiche tra neuroni e sinapsi nel dispositivo di memoria neuromorfica, emulando i meccanismi della rete neurale biologica. Inoltre, il dispositivo neuromorfico sviluppato può sostituire complessi circuiti neuronali CMOS con un unico dispositivo, fornendo elevata scalabilità ed efficienza dei costi.
Il cervello umano è costituito da una complessa rete di 100 miliardi di neuroni e 100 trilioni di sinapsi. Le funzioni e le strutture dei neuroni e delle sinapsi possono cambiare in modo flessibile in base agli stimoli esterni, adattandosi all’ambiente circostante. Il team di ricerca ha sviluppato un dispositivo neuromorfico in cui le memorie a breve ea lungo termine coesistono utilizzando dispositivi di memoria volatile e non volatile che imitano rispettivamente le caratteristiche dei neuroni e delle sinapsi. Un dispositivo interruttore di soglia viene utilizzato come memoria volatile e la memoria a variazione di fase viene utilizzata come dispositivo non volatile. Due dispositivi a film sottile sono integrati senza elettrodi intermedi, implementando l’adattabilità funzionale dei neuroni e delle sinapsi nella memoria neuromorfica.
Il professor Keon Jae Lee ha spiegato: “I neuroni e le sinapsi interagiscono tra loro per stabilire funzioni cognitive come la memoria e l’apprendimento, quindi la simulazione di entrambi è un elemento essenziale per l’intelligenza artificiale ispirata al cervello. Il dispositivo di memoria neuromorfica sviluppato imita anche l’effetto di riqualificazione che consente apprendimento rapido delle informazioni dimenticate implementando un effetto di feedback positivo tra neuroni e sinapsi.
Questo risultato intitolato “Emulazione simultanea della plasticità sinaptica e intrinseca utilizzando una sinapsi memristiva” è stato pubblicato nel numero del 19 maggio 2022 di Nature Communications .
