MIT stopt tienduizenden kunstmatige hersensynapsen op één enkele chip

MIT-technici hebben een ‘brein-op-een-chip’ ontworpen, kleiner dan een stuk confetti en gemaakt van tienduizenden kunstmatige hersensynapsen die bekend staan als memristoren. Memristoren zijn op silicium gebaseerde componenten die de informatieverspreidingssynapsen in de menselijke hersenen nabootsen.

De onderzoekers leenden de principes van de metallurgie om elke memristor te fabriceren uit legeringen van zilver en koper, samen met silicium. Toen ze de chip verschillende visuele taken lieten uitvoeren, was de chip in staat om opgeslagen beelden te herinneren en ze vele malen te reproduceren. Deze versies waren scherper en schoner vergeleken met bestaande memristorontwerpen gemaakt met niet-gelegeerde elementen. Hun resultaten, onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Nature Nanotechnology, tonen een veelbelovend nieuw memristorontwerp voor neuromorfe apparaten - elektronica gebaseerd op een nieuw type circuit dat informatie dusdanig verwerkt zodat de neurale architectuur van de hersenen wordt nabootst. Dergelijke door de hersenen geïnspireerde circuits zouden kunnen worden ingebouwd in kleine, draagbare apparaten. Ze zouden complexe computertaken kunnen uitvoeren die momenteel alleen mogelijk zijn met supercomputers. "Tot nu toe bestaan er kunstmatige synapsnetwerken als software. We proberen echte neurale netwerkhardware te bouwen voor draagbare kunstmatige intelligentiesystemen," aldus Jeehwan Kim, hoogleraar in de werktuigbouwkunde aan MIT. "Stel je voor dat je een neuromorf apparaat aansluit op een camera op je auto en dat het lichten en objecten herkent en direct een beslissing neemt, zonder dat je een verbinding met het internet hoeft te maken. We hopen met behulp van energiezuinige memristoren die taken ter plaatse in realtime te kunnen uitvoeren."

 

Zwervende ionen

Memristoren, ofwel geheugentransistoren, zijn een essentieel element in neuromorfisch rekenen. In een neuromorf apparaat zou een memristor dienen als de transistor in een circuit, hoewel de werking ervan meer lijkt op een hersensynaps - de kruising tussen twee neuronen. De synaps ontvangt in de vorm van ionen signalen van het ene neuron en stuurt een corresponderend signaal naar het volgende neuron. Een transistor in een conventionele schakeling zendt informatie uit door te schakelen tussen een van slechts twee warden: 0 en 1. En dan moet het signaal dat hij in de vorm van elektrische stroom ontvangt ook nog eens van een bepaalde sterkte zijn. Een memristor daarentegen werkt langs een gradiënt, net als een synaps in de hersenen. Het door de memristor geproduceerde signaal varieert afhankelijk van de sterkte van het ontvangen signaal. Zo kan een enkele memristor vele waarden hebben en dus ook een veel breder scala aan operaties uitvoeren dan binaire transistors.

Net als een hersensynaps kan een memristor ook de met een bepaalde stroomsterkte geassocieerde waarde onthouden en exact hetzelfde signaal produceren zodra hij een vergelijkbare stroomsterkte ontvangt. Dit zou ervoor kunnen zorgen dat het antwoord op een complexe vergelijking, of de visuele classificatie van een object, betrouwbaar is. Een dergelijke prestatie is normaliter alleen mogelijk met meerdere transistors en condensatoren. Wetenschappers verwachten dat memristoren veel minder chips nodig hebben dan conventionele transistors. Zo kunnen krachtige, draagbare computerapparaten die onafhankelijk zijn van supercomputers of internet verbindingen mogelijk worden gerealiseerd. Bestaande memristorontwerpen zijn echter beperkt in hun prestaties. Een enkele memristor bevat één positieve en één negatieve elektrode, gescheiden door een schakelend medium of ruimte tussen de elektroden. Wanneer een van deze elektrode wordt bekrachtigd, dan stromen de ionen van die elektrode door het medium en vormen een geleidingskanaal naar de andere elektrode. De ontvangen ionen vormen het elektrisch signaal dat de memristor door de stroomkring stuurt. De grootte van het ionkanaal (en het signaal dat de memristor uiteindelijk produceert) zou evenredig moeten zijn met het ingangsvoltage.

Volgens Kim werken bestaande memristorontwerpen redelijk goed in gevallen waar de spanning in een groot geleidingskanaal resulteert, of een grote ionenstroom tussen de elektroden plaatsvindt. Deze ontwerpen zijn echter minder betrouwbaar wanneer memristoren via kleinere kanalen subtielere signalen moeten genereren. Hoe smaller een geleidingskanaal des te kleiner is de ionenstroom tussen de elektroden en des te moeilijker is het voor individuele ionen is om bijeen te blijven. In plaats daarvan hebben ze de neiging om van de groep af te dwalen en zich binnen het medium te ontbinden. Als gevolg daarvan is het moeilijk voor de ontvangende elektrode om op betrouwbaar hetzelfde aantal ionen te vangen, en dus hetzelfde signaal uit te zenden, als het werkgebied een laag spanningsbereik omvat.

 

Geleend van metallurgie

Kim en zijn collega's vonden een manier om deze beperking te omzeilen middels een techniek uit de metallurgie, ofwel de wetenschap bestaande uit van het smelten van metalen in legeringen en het bestuderen van hun gecombineerde eigenschappen. "Traditioneel proberen metaalbewerkers verschillende atomen toe te voegen aan een bulkmatrix om materialen te versterken. Dit bracht ons op het idee om de atomaire interacties in onze memristor aan te passen en wat legeringselement toe te voegen om de beweging van ionen in ons medium te controleren.” Ingenieurs gebruiken meestal zilver als materiaal voor de positieve elektrode van een memristor. Kims team dook de literatuur in om een element te vinden dat ze met zilver konden combineren om de zilverionen effectief bij elkaar te houden. Maar dan wel met de mogelijkheid om snel naar de andere elektrode door te stromen. Het team koos uiteindelijk koper als ideale legeringselement. Koper bindt zich namelijk zowel met zilver als silicium. "Het werkt als een soort brug en stabiliseert de zilver/silicium-interface.” Om met hun nieuwe legering memristoren te maken, creëerde de groep eerst een negatieve elektrode uit silicium. Vervolgens werd een positieve electrode gerealiseerd door een kleine hoeveelheid koper te deponeren, gevolgd door een laagje zilver. De twee elektroden werden rondom een amorf siliciummedium geklemd. En zo werd een millimeter-vierkante siliciumchip met tienduizenden memristoren in een patroon gezet.

Als eerste chiptest maakte het team een afbeelding in grijstinten van het Captain America-schild. Elke pixel in het beeld werd gelijkgesteld aan een corresponderende memristor in de chip. Vervolgens werd de geleiding van elke memristor gemoduleerd die relatief in sterkte was ten opzichte van de kleur in de corresponderende pixel. Vergeleken met chips gemaakt van andere materialen produceerde deze chip hetzelfde scherpe beeld van het schild. Ook kon de chip zich het beeld herinneren en het vele malen reproduceren.

 

 

 

Betrouwbaardere beelden

Het team heeft de chip ook door een beeldverwerkingsfunctie geleid waarbij de memristoren werden geprogrammeerd om een beeld, in dit geval van MIT's Killian Court, op verschillende specifieke manieren te veranderen. Inclusief het verscherpen en vervagen van het originele beeld. Ook in dit geval leverde hun ontwerp de hergeprogrammeerde beelden betrouwbaarder op dan bestaande memristorontwerpen. "We gebruiken kunstmatige synapsen om echte gevolgtrekkingen te creëren," besluit Kim. "We willen deze technologie verder ontwikkelen om over grotere arrays te beschikken voor het uitvoeren van beeldherkenningstaken. En op een dag kun je wellicht kunstmatige hersenen meenemen om dit soort taken uit te voeren, zonder verbinding te maken met supercomputers, het internet of de cloud. Het onderzoek werd mede gefinancierd door de MIT Research Support Committee-fondsen, het MIT-IBM Watson AI Lab, Samsung Global Research Laboratory en de National Science Foundation.