p Pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) construíram um interruptor supercondutor que "aprende" como um sistema biológico e pode conectar processadores e armazenar memórias em futuros computadores operando como o cérebro humano. p A chave NIST, descrito em Avanços da Ciência , é chamado de sinapse, como sua contraparte biológica, e fornece uma peça que faltava para os chamados computadores neuromórficos. Concebido como um novo tipo de inteligência artificial, esses computadores podem aumentar a percepção e a tomada de decisões para aplicações como carros autônomos e diagnóstico de câncer.

p Uma sinapse é uma conexão ou troca entre duas células cerebrais. A sinapse artificial do NIST - um cilindro metálico atarracado de 10 micrômetros de diâmetro - é como a coisa real porque pode processar picos elétricos de entrada para personalizar os sinais de saída de picos. Esse processamento é baseado em um design interno flexível que pode ser ajustado pela experiência ou pelo ambiente. Quanto mais disparando entre células ou processadores, mais forte é a conexão. Ambas as sinapses reais e artificiais podem, portanto, manter velhos circuitos e criar novos. Ainda melhor do que a coisa real, a sinapse NIST pode disparar muito mais rápido do que o cérebro humano - 1 bilhão de vezes por segundo, em comparação com as 50 vezes por segundo de uma célula cerebral - usando apenas uma lufada de energia, cerca de um décimo milésimo mais do que uma sinapse humana. Em termos técnicos, a energia de pico é inferior a 1 attojoule, menor do que a energia de fundo em temperatura ambiente e no mesmo nível da energia química que liga dois átomos em uma molécula.

p "A sinapse NIST tem menos necessidades de energia do que a sinapse humana, e não conhecemos nenhuma outra sinapse artificial que use menos energia, "Disse o físico do NIST Mike Schneider.

p A nova sinapse seria usada em computadores neuromórficos feitos de componentes supercondutores, que pode transmitir eletricidade sem resistência, e portanto, seria mais eficiente do que outros projetos baseados em semicondutores ou software. Os dados seriam transmitidos, processado e armazenado em unidades de fluxo magnético. Dispositivos supercondutores que imitam células cerebrais e linhas de transmissão foram desenvolvidos, mas até agora, sinapses eficientes - uma peça crucial - estão faltando.

p O cérebro é especialmente poderoso para tarefas como reconhecimento de contexto porque processa dados em sequência e simultaneamente e armazena memórias em sinapses em todo o sistema. Um computador convencional processa dados apenas em sequência e armazena a memória em uma unidade separada.

p A sinapse NIST é uma junção Josephson, muito usado em padrões de voltagem NIST. Essas junções são um sanduíche de materiais supercondutores com um isolante como enchimento. Quando uma corrente elétrica através da junção excede um nível chamado corrente crítica, picos de tensão são produzidos. A sinapse usa eletrodos de nióbio padrão, mas tem um preenchimento exclusivo feito de aglomerados em nanoescala de manganês em uma matriz de silício.

p Os nanoclusters - cerca de 20, 000 por micrômetro quadrado - agem como pequenos ímãs em barra com "giros" que podem ser orientados aleatoriamente ou de maneira coordenada.

p "Estas são junções Josephson personalizadas, "Schneider disse." Podemos controlar o número de nanoclusters apontando na mesma direção, que afeta as propriedades supercondutoras da junção. "

p A sinapse repousa em um estado supercondutor, exceto quando é ativado pela corrente de entrada e começa a produzir picos de tensão. Os pesquisadores aplicam pulsos de corrente em um campo magnético para aumentar a ordem magnética, isso é, o número de nanoclusters apontando na mesma direção. Este efeito magnético reduz progressivamente o nível crítico de corrente, tornando mais fácil criar um condutor normal e produzir picos de tensão.

p A corrente crítica é a mais baixa quando todos os nanoclusters estão alinhados. O processo também é reversível:os pulsos são aplicados sem um campo magnético para reduzir a ordem magnética e aumentar a corrente crítica. Este projeto, em que diferentes entradas alteram o alinhamento de spin e os sinais de saída resultantes, é semelhante ao funcionamento do cérebro.

p O comportamento da sinapse também pode ser ajustado mudando a forma como o dispositivo é feito e sua temperatura de operação. Ao tornar os nanoclusters menores, os pesquisadores podem reduzir a energia do pulso necessária para aumentar ou diminuir a ordem magnética do dispositivo. Aumentando ligeiramente a temperatura operacional de menos 271,15 graus C (menos 456,07 graus F) para menos 269,15 graus C (menos 452,47 graus F), por exemplo, resulta em mais e mais picos de tensão.

p Crucialmente, as sinapses podem ser empilhadas em três dimensões (3-D) para fazer grandes sistemas que podem ser usados ​​para computação. Os pesquisadores do NIST criaram um modelo de circuito para simular como tal sistema operaria.

p A combinação da sinapse NIST de tamanho pequeno, sinais de pico super-rápidos, necessidades de baixa energia e capacidade de empilhamento 3-D podem fornecer os meios para um sistema neuromórfico muito mais complexo do que foi demonstrado com outras tecnologias, de acordo com o jornal.