Эффект памяти

Инженеры из Федеральной политехнической школы Лозанны (Швейцария) обнаружили, что вещество под названием «диоксид ванадия» (VO2) способно менять свою структуру после воздействия на него электрическим током. Он стал первым известным науке материалом, обладающим так называемой энергоэффективной памятью. Статья с выводами исследователей была опубликована в журнале Nature Electronics.

Диоксид ванадия используется в электронных устройствах. Известно, что если нагреть изолятор из этого материала до 68 градусов по Цельсию, то он превращается в металл. Если же понизить температуру обратно до комнатной, материал опять переходит в изолирующее состояние. Однако специалисты выяснили, что память таких устройств является не просто энергозависимой, они могут сохранять измененную структуру и после окончания воздействия.

Ведущий автор исследования Мохаммад Самизаде Нику и его коллеги провели серию экспериментов, в ходе которых подавали на образец диоксида ванадия импульсы электрического тока, нагревавшего материал на всем пути следования, то есть ток входил в один конец образца VO2 и выходил с другого конца.

В процессе нагревания в двухполюснике из оксида ванадия длиной 50 нанометров были зафиксированы фазовые переходы, но после первого поданного на него электроимпульса материал вернулся в свое исходное состояние. Между тем при подаче повторных импульсов период инкубации, то есть время, за которое изолятор трансформировался в проводник (изначально оно составляло около 1,4 микросекунды), снижался аж в десять раз, и это изменение сохранялось на протяжении примерно трех часов, а структура материала при вторичной подаче импульса становилась стеклоподобной. То есть оксид ванадия не только «вспоминал» первое воздействие на него током, когда через него прогоняли вторичные импульсы, но и был способен запомнить это воздействие даже в том случае, когда оно прекращалось! При этом образцы переходили в новое состояние при субнаносекундном импульсе, для осуществления которого требовалось всего-навсего 100 фемтоджоулей электроэнергии.

Но что дает это открытие с практической точки зрения? По мнению авторов работы, на основе таких материалов могут быть разработаны миниатюрные вычислительные устройства с принципиально новой архитектурой. Они будут работать куда быстрее, чем сегодняшняя электроника, при этом будут более компактными и с более низким уровнем энергопотребления.

Также это означает переход к нейроморфным вычислениям и многоуровневой памяти, вплоть до создания искусственных имитаций мозга. Раз материал способен помнить, то он в какой-то степени способен и мыслить.

В 2015 году специалистам из международной лаборатории центра превосходства «Интеллектуальные технические системы», под эгидой которой работали и российские ученые, удалось создать искусственную копию человеческого мозга. Она, как и естественный мозг, способна к самообучению, а также на ней можно моделировать различные патологические состояния и расстройства памяти с целью разработки механизма их лечения.

Сначала ученые построили математическую и компьютерную модели мозга человека. После этого они сконструировали радиоэлектронный прибор, содержащий перцептроны (искусственные нейронные сети). «Он способен обрабатывать разноплановую информацию, такую как видео и звук», – прокомментировал один из разработчиков профессор Владимир Сырямкин. «…Нам удалось приоткрыть тайну мозговой нейронной сети, – сообщил прессе еще один член команды разработчиков, Владимир Шумилов. – В нашей физической модели, как и в головном мозге человека, происходит образование новых нейронных связей и затухание уже имеющихся. У человека это является процессом забывания».

Как полагают авторы искусственного аналога мозга, возможности его применения могут оказаться практически безграничными. Так, он мог бы помочь в изучении механизма и разработки методов лечения различных видов амнезии, а также болезней Альцгеймера и Паркинсона. Ведь в основе этих недугов обычно лежит либо нарушение связей между нейронами, либо угасание их деятельности. Также искусственный мозг мог бы стать частью «умных» робототехнических комплексов и нейрокомпьютеров.

Не стоит забывать о том, что, говоря об искусственном мозге, ученые вовсе не имеют в виду полный аналог настоящего биологического мозга. Имитировать естественную модель мозга крайне сложно или практически невозможно, так как даже самым совершенным технологиям никогда не воссоздать такое количество нейронных цепочек. К тому же нейронные связи – это еще не все. Нужно будет скопировать и ткани, и тончайшие биохимические процессы, в которых задействован мозг и от которых во многом зависит его функционирование. А это и вовсе не реально. Поэтому пока речь может идти только о приблизительных моделях.

Конечно, свойства диоксида ванадия не сотворят чуда и не позволят создать точную имитацию человеческого разума, но этого и не требуется, они могут стать основой для создания гораздо более совершенного, чем сейчас, искусственного интеллекта. Представим себе робота, обладающего не просто встроенной, а гибкой естественной памятью. Как минимум он сможет запоминать огромные объемы информации, успешно оперировать ею и при этом не тратить большого количества энергии. Сейчас такие устройства очень зависят от емкости аккумуляторов. В будущем «эффект памяти» сделает их более автономными и менее зависимыми от наличия поблизости зарядки.

Даже компьютерные алгоритмы, построенные на основе такого «мозга», будут более продуктивны для пользователя, позволяя ему, скажем, более успешно работать с информацией. Впрочем, эксперты предполагают, что помимо диоксида ванадия есть и другие материалы с подобными параметрами. И если их удастся обнаружить, это значительно облегчит и удешевит изготовление электронных «мозгов» нового типа.

Ида ШАХОВСКАЯ