人工ニューロンは人間の脳と同じくらい効率的である可能性があります

MITの研究者は、超伝導ナノワイヤーから人工ニューロンを設計しました。
理論的には、そのようなニューロンの単純な回路は、人間の脳と同じくらい効率的に機能することができます。
ネットワークは、1ワットあたり1秒あたり100兆のシナプス操作を実行できます。

科学で知られている最も魅力的なコンピューティングデバイスは人間の脳です。単一のコンポーネントであるニューロンのグループの助けを借りて、さまざまな複雑な操作を実行できます。

ギガヘルツの速度で動作する最新のCPUとは異なり、脳はわずか数ヘルツのクロック速度で動作します。ただし、1秒あたり数兆回の計算を[並行して]実行するため、人間は、会話、歩行、運転など、従来のコンピューターでは実現できなかった複雑なことを簡単に行うことができます。

今日のコンピューティングデバイスと比較して、私たちの脳はこれらのタスクを実行するためにほとんどエネルギーを消費しません。したがって、研究者は効率的なニューラルネットワークを使用して人間の脳のコンピューティングパフォーマンスを模倣しようとしています。従来のマイクロプロセッサはニューラルネットワークのように機能するようにプログラムできますが、過剰な量の計算リソースとエネルギーを使用します。

この問題に取り組むために、MITのコンピューター科学者は、人工ニューロンを作成し、それらを人間の脳のようなネットワークでリンクするというアイデアを思いつきました。この設計を実装するために、彼らは超伝導ナノワイヤーから人工ニューロンを設計しました。

このような人工ニューロンで作られたデバイスは、人間の脳と同じくらい効率的に機能します（少なくとも理論的には）。

人工ニューロンの主な機能

生物学的ニューロンは、神経の長さに沿って移動する情報をエンコードするために電気スパイクを生成します。情報はシナプス（2つの神経細胞間の接合部）を介して別のニューロンに渡されます。

他のニューロンは、この情報を渡すかブロックすることができます。実際、それらは論理ゲートのように動作し、複数の入力に応答して1つの出力を生成できます。

これらのニューロンは、入ってくる電気パルスがあるしきい値を超えない限り発火しません。不応期と呼ばれる特定の時間が経過するまで、彼らは再び発砲することはできません。

出典：arXiv：1907.0263

新しい超伝導ナノワイヤーは、生物学的ニューロンのこれらすべての機能を模倣しています。それらは、しきい値レベルよりも高い電流がナノワイヤを流れるときにナノワイヤの超伝導を破壊することを可能にする奇妙な非線形特性を持っています。

これは、抵抗が突然増加するために発生します。これにより、生物学的ニューロンの電気スパイクに類似した電圧パルスが生成されます。これを使用して、2番目のナノワイヤによって生成された別のパルスを変調し、シミュレーションをさらに正確にすることができます。

画像ソース：Adobe Stock

したがって、ナノワイヤで作られた単純な回路は、発火しきい値、移動時間（回路のプロパティを調整することで調整可能）、不応期など、ニューロンの主要な特性を模倣できます。

電力効率と制限

このような超電導回路のエネルギー効率は、生物学的神経ネットワークのエネルギー効率と一致させることができます。研究チームによると、彼らが提案した人工ニューラルネットワークは、1ワットあたり1秒あたり約100兆のシナプス操作を実行できます。

シミュレーションは有望なようです。成功すれば、スピードとパワーの面で非常に競争力のあるテクノロジーになる可能性があります。この設計により、スパイキングニューラルネットワークとしてトレーニングできる大規模なニューロモルフィックプロセッサで、パターン認識などの複雑なタスクを実行できるようになります。

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他の概念と同様に、それ自体に制限があります。超伝導ニューロンは、他のいくつかのニューロンにのみリンクできます。一方、生物学的ニューロンは他の何千ものニューロンに接続します。今のところ、これは原理実証のデモンストレーションが必要な設計にすぎません。

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