Máy tính sử dụng khớp thần kinh nhân tạo bằng tụ điện

Những năm gần đây, khoa học máy tính tập trung phát triển các kiến ​​trúc máy tính thay thế, mô phỏng bộ não được gọi là máy tính cấu trúc thần kinh.

Những thành phần này tách biệt về vật lý, dữ liệu truyền giữa các bộ phận này thông qua một tập hợp dây dẫn hoặc vật dẫn, được gọi là “bus bộ nhớ”. Sự truyền dẫn này làm chậm tốc độ toàn bộ hệ thống tính toán, tiêu thụ điện năng lớn và khiến hiệu suất thấp.

Để giải quyết vấn đề này, các nhà khoa học đã đưa ra thiết kế một đơn vị tích hợp cả bộ nhớ lưu trữ dữ liệu và bộ xử lý, có tên gọi là “điện toán trong bộ nhớ”. Với các tế bào bộ nhớ và khối xử lý cấu trúc như tế bào thần kinh và khớp thần kinh sinh học, kiến ​​trúc mới giải quyết vấn đề khoảng cách dài phải di chuyển dữ liệu trong những máy tính truyền thống.

Thiết kế “điện toán trong bộ nhớ” xây dựng trên một khái niệm, được gọi là bộ nhớ trên cơ sở điện trở. Theo khái niệm này, dữ liệu được lưu trữ và xử lý bằng phương pháp kiểm soát điện trở. Ý tưởng thiết kế cho phép xử lý bộ nhớ tương tự như não bộ, nhưng các thiết bị có nhược điểm là tổn hao năng lượng lớn và phải thiết lập một hệ thống phức tạp.

Nhóm nhà khoa học, do Shimeng Yu, PGS kỹ thuật điện và máy tính thuộc Viện Công nghệ Georgia dẫn đầu đã giải quyết khó khăn này, phát triển một loại khớp thần kinh nhân tạo điện mới, chạy trên bộ nhớ sử dụng tụ điện.

Tụ điện ghi và lưu trữ dữ liệu dưới dạng điện tích. Thiết bị này cần ít năng lượng, không dẫn điện, do đó các điện tích không thể xuyên qua khớp thần kinh là điện dung đồng thời giải quyết được vấn đề dòng điện rò rỉ ẩn trong các hệ thống khớp thần kinh nhân tạo.

Sử dụng oxit hafnium, vật liệu được sử dụng từ lâu trong ngành công nghiệp bán dẫn, nhóm nghiên cứu đã chế tạo được khớp thần kinh nhân tạo điện dung. Vật liệu cho thấy điện dung có các giá trị khác nhau tùy thuộc vào điện tích được lưu trữ trong đó. Do vật liệu được sử dụng rộng rãi, nên sẽ đơn giản để thương mại công nghệ này.

Mảng các Điện toán trong bộ nhớ sử dụng tụ điện với khớp thần kinh điện dung.

Khả năng của các khớp thần kinh điện dung dựa trên hafnium mới đã được chứng minh trong một bài kiểm tra hiệu suất cấp hệ thống ở cấp độ mảng, cho thấy các ứng dụng tiềm năng trong thế giới thực.

Nhóm nghiên cứu cho biết, khớp thần kinh mới thành công ở cấp độ hệ thống, nhưng vẫn cần hoàn thiện như thu nhỏ xuống một vài 10-100 nanomet. Lớp vảy này mỏng hơn tóc người khoảng 1000-10000 lần. Đồng thời cũng phải hoàn thiện cấu trúc, kỹ thuật hình học của các tụ điện để khớp thần kinh hoạt động hiệu quả với trạng thái lưu trữ dữ liệu độ tin cậy cao. Đồng thời cần tối ưu cấu trúc thiết bị khớp thần kinh điện dung và mạch, nâng cao hiệu suất điện toán trong bộ nhớ.