Разработан топологический акустический синапс

Имитируя работу мозга, нейроморфные вычисления могут потреблять намного меньше энергии, чем обычные электронные чипы искусственного интеллекта. Однако даже самые сложные на сегодняшний день нейроморфные устройства довольно просты и используют лишь малую часть количества связей, имеющихся в человеческих нейронах.

Новое исследование показывает, что с помощью звуковых волн нейроморфные устройства могут лучше имитировать биологические нейроны и работать быстрее и с большей энергоэффективностью, чем их электронные аналоги.

Ученые Аризонского университета в Тусоне разработали акустические устройства, в которых звуковые волны могут кодировать несколько значений в своей фазе. Эти фазовые биты, или фи-биты, в свою очередь, могут поддерживать квантовые логические элементы и параллельные вычисления. В то время как обычные биты обозначают только одну из двух цифр, 0 или 1, и для каждого бита требуется отдельный физический компонент, фи-биты представляют собой несколько переменных, сосуществующих в одном пространстве. Разработанный исследователями акустический синапс, содержащий несколько фи-битов. Это позволяет относительно просто выполнять несколько одновременных вычислений с меньшими энергозатратами по сравнению с обычной электроникой.

Новое устройство состоит из трех алюминиевых стержней длиной примерно 60 сантиметров и шириной 1,25 сантиметра, соединенных эпоксидным клеем. Исследователи использовали тонкий слой меда, чтобы прикрепить ультразвуковые передатчики и датчики к концам стержней.

Исследователи использовали звуковые волны для кодирования потока данных, включая изображения и метки, которые идентифицировали эти изображения. Ультразвуковые передатчики излучали звуковые волны через стержни, которые акустически взаимодействовали с эпоксидной смолой. Ультразвуковые датчики в устройстве улавливали акустические сигналы, возникающие в результате этого взаимодействия.

Исследователи обнаружили, что могут модулировать фазу фи-битов таким образом, чтобы имитировать способность биологических синапсов со временем усиливать или ослаблять связи, что отчасти объясняет, почему воспоминания сохраняются или стираются. Это свойство, называемое синаптической пластичностью, позволило исследователям обучить свой акустический синапс выполнению целого ряда задач.

В ходе экспериментов ученые протестировали топологический акустический синапс в сочетании с тремя цифровыми нейронами. (Развивающаяся область топологической акустики, использующая ранее неизвестные свойства звуковых волн, привела к появлению новых способов управления звуком — например, в цепях, в которых звуковые волны могут распространяться практически без потери энергии.) «В топологическом акустическом синапсе взаимодействие акустических волн помогает преобразовывать и упорядочивать информацию перед окончательным считыванием», — говорит Ян.

Когда дело дошло до классификации 150 цветов на три вида ирисов, новое устройство превзошло обычную нейронную сеть на основе компьютерных чипов, называемую многослойным перцептроном (MLP). Акустическое устройство, представляющее собой один смоделированный синапс, достигло конечной точности в 96,7 % при использовании всего 39 параметров и достигло максимальной точности на 20 % быстрее, чем MLP. Исследователи отмечают, что для достижения сопоставимой точности многослойному перцептрону потребуется девять нейронов и еще больше параметров.

В целом, по оценкам исследователей, их новое устройство потребляет не более одной десятой мощности современных электронных нейроморфных устройств. «Будущие нейроморфные системы могут сочетать физическую волновую динамику с традиционными вычислениями для более энергоэффективной обработки информации», — считают исследователи.

Кроме того, ученые отметили, что их новое устройство может имитировать активность критически важных молекул, известных как нейромодуляторы. Нейромодуляторы, такие как дофамин или серотонин, «могут повышать или понижать чувствительность синапсов, ускорять или замедлять их работу, а также влиять на скорость обучения. Такая гибкость помогает мозгу адаптироваться к различным условиям, таким как внимание, вознаграждение, стресс или состояние обучения».

На один биологический синапс могут одновременно воздействовать до 10 нейромодуляторов. Однако имитировать нейромодуляцию в традиционном нейроморфном оборудовании сложно, для этого обычно требуются гораздо более сложные конструкции. Однако исследователи обнаружили, что при наличии акустического синапса простое добавление дополнительного стержня позволяет системе имитировать ряд нейромодулирующих процессов, в том числе быстрые реакции (например, влияние дофамина на синаптическую активность во время обучения) и медленные, долгосрочные реакции (например, хронический стресс).