Искусственные нейроны заработали как живые. Учёные создали схему, где сигналы передаются не электронами, а ионами — как в мозге человека

Учёные из Инженерной школы Витерби при Университете Южной Калифорнии создали искусственные нейроны, которые не просто имитируют работу мозга, а воспроизводят электрохимические процессы, характерные для живых клеток. Это открытие приближает появление нейроморфных систем, способных функционировать как настоящие нейронные сети и стать фундаментом для универсального искусственного интеллекта.

В отличие от существующих нейроморфных чипов, которые лишь цифровым образом моделируют сигналы мозга, разработка команды Джошуа Янга из Центра нейроморфных вычислений USC использует реальные электрические и химические реакции. По сути, это не программа, а физическая система, где вычисления происходят за счёт движений частиц, а не симуляции.

Основой технологии стал компонент под названием диффузионный мемристор. В обычных микросхемах информация передаётся электронами, а в этих нейронах — атомами. Такой подход позволил воспроизвести естественный механизм передачи сигналов: электрический импульс превращается в химический, пересекает синапс и снова становится электрическим. Для этого исследователи использовали ионы серебра в оксидной среде.

По словам Янга, поведение ионов в их устройстве близко к процессам, происходящим в биологических нейронах. Серебро выбрали потому, что его атомы легко диффундируют и обеспечивают устойчивую динамику, необходимую для имитации нейронной активности. Благодаря этому каждый элемент занимает место одного транзистора, что делает конструкцию компактной и энергетически экономичной. Учёный отмечает, что именно ионная природа сигналов делает мозг предельно эффективным. Эволюция выработала этот принцип как оптимальный — при минимальном расходе энергии достигается высокая скорость и точность обработки информации. Поэтому команда решила отказаться от электронных схем в пользу ионных, которые ближе к биологическому оригиналу.

По мнению Янга, главная проблема современных вычислительных систем кроется не в мощности, а в расточительном потреблении энергии. Процессоры и ускорители способны работать с огромными массивами данных, но делают это слишком дорого с точки зрения энергетики. Мозг, напротив, обучается по нескольким примерам и обходится всего двадцатью ваттами.

Исследователи считают, что ионы могут стать недостающим звеном, объединяющим точность техники и энергоэффективность мозга. Электроны слишком лёгкие и нестабильные, из-за чего классические микросхемы вынуждены использовать программное обучение. В ионных системах эти функции встроены в саму физику устройства, что делает возможным обучение на аппаратном уровне.

Следующим шагом станет объединение созданных нейронов в крупную сеть и проверка, насколько её работа будет напоминать мозговую активность. Сейчас используется серебро, но команда планирует испытать другие материалы, совместимые с массовым производством микросхем, чтобы перенести технологию из лаборатории в промышленность. Разработчики уверены, что подобные нейронные системы смогут не только приблизить искусственный интеллект нового поколения, но и помочь глубже понять, как устроен мозг человека. Воссоздавая его процессы в материальном виде, учёные получают возможность наблюдать механизмы, которые раньше оставались недоступными для прямых измерений.