Российские ученые приблизились к созданию искусственной сетчатки

Оптоэлектронный синапс — мемристор с гибкостью и гибридным управлением, электрическим и оптическим создали Ученые из МФТИ, ИТМО и Сколтеха. Он воспроизводит свойства синапсов головного мозга.

Это устройство может быть использовано для создания искусственного глаза и приборов, работающих по принципу «вычислений-в-сенсоре» („in-sensor computing“).

Исследователи считают, что искусственные нейроны, синапсы и гибкие мемристоры, созданные в МФТИ, могут стать основой нейроморфных систем искусственного зрения.

Сейчас большинство нейросетевых задач выполняется на удаленных серверах, к которым мобильные устройства подключаются через интернет. Это требует больших затрат энергии, а количество запросов растет. Решить эту проблему может нейроморфное аппаратное обеспечение, которое будет лучше подходить для работы с нейросетями, чем традиционные процессоры.

Основные части мозга — это нейроны и синапсы. Нейроны обрабатывают сигналы и передают электрические импульсы по сети. Синапсы — места соединения нейронов, они определяют, как сигналы проходят от одной клетки к другой, усиливаясь или ослабляясь. Эти «мостики» между нейронами отвечают за память, а обучение — настройка их проницаемости для импульсов.

Разработчики нейроморфного «железа» хотят создать искусственные нейроны и синапсы, чтобы ускорить и сделать более энергоэффективными нейросетевые алгоритмы. Для этого они используют мемристоры.

Мемристор — это резистор, который меняет сопротивление при прохождении электрических сигналов и сохраняет это изменение на некоторое время. Благодаря этому свойству мемристоры могут быть использованы в качестве искусственных синапсов в нейроморфных чипах.

Чем больше биоподобного функционала будет реализовано в мемристорах, тем шире будет их применение в будущем. Они могут стать основой для создания нейропроцессоров и нейроконтроллеров, которые можно использовать в «умных камерах», размещенных как стационарно, так и на беспилотных аппаратах. Также мемристоры подойдут для энергоэффективного решения нелинейных задач, с которыми не справляются классические компьютеры.

Ученые из МФТИ, ИТМО и Сколтеха создали мемристор с краткосрочной памятью. Он управляется гибридными сигналами — электрическими и световыми. Это позволит обеспечить высокую плотность нейроморфных элементов на чипе — как у ведущих зарубежных аналогов.

Зрительная информация обрабатывается живыми организмами в несколько этапов. Сначала она воспринимается с помощью палочек и колбочек — сенсоров в сетчатке глаза. Затем фотосигнал передается в нейроны зрительного нерва, которые генерируют импульсы для обработки в зрительной коре мозга.

Нам удалось создать устройство, которое выполняет все эти функции. Оно представляет собой оптоэлектронный искусственный синапс на основе микрокристалла галогенидного перовскита и электродов из углеродных нанотрубок. Размеры микрокристаллов совпадают с размерами палочек и колбочек. Устройство можно разместить на гибкой подложке, что позволит интегрировать его в массивы на изогнутой поверхности, как в биологическом глазе, — рассказал Антон Ханас, один из ведущих разработчиков проекта, старший научный сотрудник лаборатории функциональных материалов и устройств для наноэлектроники МФТИ.

Современные системы искусственного зрения, которые используются в устройствах автономного вождения или камерах для распознавания лиц, состоят из нескольких частей:

• матрицы сенсоров (камеры);
• аналогово-цифрового преобразователя;
• блоков обработки (процессора) и хранения информации (память).

Передача данных между этими элементами замедляет работу систем. Поэтому в последнее время популярна концепция «вычислений-в-сенсоре» („in-sensor computing“). Это архитектура, в которой сигналы детектируются и информация обрабатывается в одном блоке.

Разработка команды российских ученых может быть использована в этой сфере. Изготовленный мемристор имеет размер примерно 5×5 мк м² и может быть уменьшен до сотен нанометров и меньше. Другая особенность разработки — сложный биоподобный функционал.

Мы выяснили, что мемристоры реагируют на электрический сигнал сильнее, если их не освещать. Если же их освещать, то отклик слабее. Это похоже на то, как бледная кожа обгорает быстрее на солнце. Такое поведение мемристора согласуется с теорией БКМ.

Раньше, чтобы продемонстрировать такое поведение в мемристорах, требовались сложные инженерные трюки. В нашем мемристоре это реализуется просто и напрямую, как в экспериментах нейробиологов. Это вторая ценность нашей работы, — добавил Андрей Зенкевич, руководитель лаборатории функциональных материалов и устройств для наноэлектроники МФТИ.

Ученые планируют изготавливать массивы из микрокристаллов галогенидных перовскитов. Это приблизит их к созданию искусственной сетчатки для нейроморфных зрительных систем.

21.10.2024