Przełomowe odkrycie z USA. Ten mikroczip pamięta i zapomina jak ludzki mózg

Tradycyjna architektura komputerowa właśnie zderzyła się z rewolucją, która może uratować świat przed nadchodzącym kryzysem energetycznym wywołanym przez rozwój sztucznej inteligencji. Naukowcy z Oregon State University dokonali niesamowitego odkrycia, konstruując miniaturowe urządzenie pamięciowe, które potrafi jednocześnie wykrywać światło, przetwarzać informacje i zapamiętywać je dokładnie tak, jak robią to ludzkie neurony. Ten optoelektroniczny fototranzystor otwiera drzwi do stworzenia superszybkich układów AI o niemal zerowym apetycie na prąd.

Koniec z marnowaniem energii. Jak fototranzystor z Oregonu eliminuje wąskie gardło AI

Współczesne systemy sztucznej inteligencji, choć imponujące możliwościami, borykają się z gigantycznym problemem strukturalnym znanym jako wąskie gardło von Neumanna. Dzisiejsze chipy rozdzielają rejestrowanie obrazu, pamięć oraz przetwarzanie danych na trzy osobne komponenty. W efekcie gigantyczne pakiety informacji muszą nieustannie krążyć między sensorem, procesorem a kośćmi pamięci RAM. Ten ciągły transport danych zużywa lwią część energii całego układu i drastycznie spowalnia operacje.

Inżynierowie z Kolegium Inżynieryjnego Oregon State University (OSU) postanowili rozwiązać ten problem u samego źródła. Efektem ich prac, opublikowanym na łamach prestiżowego czasopisma naukowego Advanced Functional Materials, jest nowatorski fototranzystor. Łączy on funkcję sensora światła i cyfrowej pamięci w jednym elemencie. Dzięki temu wstępna obróbka danych dzieje się dokładnie tam, gdzie pada promień światła, co eliminuje potrzebę ciągłego przesyłania sygnałów do zewnętrznych procesorów. Lider projektu, podkreśla, że ta innowacja wprowadza zupełnie nową architekturę sprzętową, pozwalającą na ultraszybkie i energooszczędne przetwarzanie informacji na poziomie samego czujnika.

Biologia spotyka krzem. Mechanizm programowalnego zapominania

Sekret działania tego niesamowitego urządzenia tkwi w unikalnym połączeniu dwóch warstw materiałowych. Kanał tranzystora, przez który przepływa prąd elektryczny, wykonano z półprzewodnika tlenkowego. Bezpośrednio na nim naukowcy umieścili światłoczułą powłokę organiczną, która działa jak oko urządzenia. Kiedy światło uderza w organiczną warstwę, generuje ładunki elektryczne, które zostają w niej uwięzione. Co fascynujące, ładunki te wpływają na prąd w kanale półprzewodnika nawet po całkowitym wyłączeniu źródła światła – w ten sposób urządzenie fizycznie „pamięta” zarejestrowany wcześniej obraz.

Najbardziej genialną cechą wynalazku z OSU jest jednak fakt, że ta pamięć nie jest statyczna. Naukowcy potrafią nią sterować przy użyciu minimalnego napięcia elektrycznego bramki tranzystora, co pozwala przesuwać uwięzione ładunki. Gdy ładunki znajdują się blisko kanału, ich wpływ jest silny, a pamięć trwała. Gdy zostaną odsunięte, efekt słabnie, a pamięć szybko zanika. Mechanizm ten do złudzenia przypomina procesy zachodzące w ludzkim mózgu, który za pomocą sygnałów chemicznych wzmacnia ważne wspomnienia, a te mniej przydatne bezpowrotnie zaciera w czasie.

Neuromorficzne systemy wizyjne. Gdzie technologia znajdzie zastosowanie?

Ten programowalny czas życia pamięci to technologiczny kamień milowy dla tzw. komputerów neuromorficznych, których celem jest fizyczne naśladowanie ludzkiego mózgu, oraz dla dynamicznie rozwijającej się dziedziny przetwarzania wewnątrzsensorowego. W przypadku systemów wizyjnych sztucznej inteligencji, takie rozwiązanie oznacza, że hardware będzie w stanie samodzielnie filtrować, segregować i tymczasowo przechowywać obrazy, zanim te w ogóle obciążą główny procesor.

W autonomicznym świecie przyszłości roboty, drony, kamery bezpieczeństwa czy autonomiczne samochody nie potrzebują wiecznego przechowywania każdego zarejestrowanego piksela. Część informacji wizualnych ma znaczenie tylko przez ułamek sekundy, inne powinny być analizowane dłużej, a nieistotne tło musi zniknąć natychmiast. Nowy sensor z Oregonu tworzy idealne, elastyczne okno czasowe do selekcji tych bodźców bezpośrednio w miejscu ich przechwycenia.

Rewolucja na poziomie laboratoryjnym – co dalej?

Choć opisywany fototranzystor jest dopiero na etapie zaawansowanych badań laboratoryjnych i nie zastąpi z dnia na dzień dzisiejszych sensorów w smartfonach czy akceleratorów AI, to wyznacza on jasny kierunek rozwoju elektroniki. Jeśli naukowcom uda się pomyślnie przeskalować tę technologię do masowej produkcji, przyszłe urządzenia staną się nie tylko mniejsze i szybsze, ale przede wszystkim drastycznie ograniczą zużycie energii elektrycznej. To milowy krok w stronę autonomii, która nie potrzebuje potężnych elektrowni do poprawnego działania.