За последние десятилетия инженеры создали множество вычислительных систем, вдохновлённых человеческим мозгом или предназначенных для имитации некоторых его функций. К ним относятся устройства, которые искусственно воспроизводят поведение клеток мозга (например, нейронов), обрабатывая и передавая сигналы в виде электрических импульсов.
Большинство устройств, созданных на основе нейронов, используют для обработки и передачи информации либо электроны, либо фотоны, а не их комбинацию. Это связано с тем, что фотонные и электронные системы обычно имеют совершенно разную архитектуру, а преобразование сигналов, на которых они основаны, может быть сложным и приводить к потерям энергии.
Исследователи из Стэнфордского университета, Национальной лаборатории Сандия и Университета Пердью разработали новые электро-оптические устройства, которые могут имитировать нейронные электрические импульсы и одновременно излучать колебательный свет. Эти устройства, называемые электрооптическими нейронами Мотта, были представлены в статье, опубликованной в Nature Electronics.
«Эти устройства работают по принципу нейронного переключения, при котором сопротивление резко и обратимо меняется при превышении порогового напряжения. Это изменение сопровождается электронной нестабильностью, которая может вызывать самоподдерживающиеся колебания в устройстве, позволяя ему имитировать динамическую импульсную активность биологических нейронов», — объяснила Махназ Ислам, первый автор статьи.
Интересно, что исследователи заметили, что во время процесса электрического переключения канал NbO2 в их устройствах также излучал видимый свет. Это означает, что каждый импульс имел как электрическую, так и оптическую сигнатуру, которые были идеально синхронизированы по времени. Это был первый случай, когда такая электрооптическая синхронизация наблюдалась в устройстве, созданном по принципу работы электронного нейрона.
«Объединив наши экспериментальные результаты с данными из предыдущих исследований, мы смогли предположить, что это излучение имеет электронную природу, и тем самым подтвердили гипотезу. Ключевое преимущество заключается в том, что эти электрооптические нейроны Мотта объединяют вычисления и коммуникацию в одном элементе, что позволяет обойтись без отдельных источников света или оптических преобразователей».
Предыдущие попытки соединить электрические процессоры с оптическими межсоединениями основывались на использовании нескольких различных компонентов и дорогостоящих стратегий преобразования энергии. В отличие от них, устройство, разработанное этой исследовательской группой, генерирует электрические импульсы одновременно с видимыми световыми импульсами. Это явление можно использовать для реализации оптической передачи сигналов на большие расстояния, синхронизированной с локальной электрической обработкой.