Сигналы нейронной сети для имитации мозга

Сигналы нейронной сети для имитации мозга

Специалистами NIST создан кремниевый чип с функциями точного распределения оптических сигналов через миниатюрные умственно подобные сети. Налицо демонстрация потенциально новой разработки для использования в сложных конструкциях нейронных сетей.

Проект на имитацию деятельности мозга

Человеческий мозг содержит миллиарды нейронов (нервных клеток). Каждая из таких клеток имеет тысячи связей с другими нейронами. Многие вычислительные исследовательские проекты направлены на имитирование деятельности мозга через создание схем искусственных нейронных сетей.

Между тем обычная электроника, включая электрические связи полупроводниковых схем, нередко становится серьёзным препятствием для структуры чрезвычайно сложной маршрутизации — неотъемлемого элемента нейронных сетей.

И вот инженерами NIST предложено использовать свет вместо электричества для передачи сигнальной среды. Нейронные сети уже демонстрировали замечательную способность решать сложные задачи.

Быстрое распознавание образов и анализ данных – не исключение. Использование света исключает помехи, создаваемые электрическим разрядом, сигналы проходят быстрее и дальше. Как отметил один из физиков исследовательской группы:

Преимущества света кардинально улучшают работу нейронных сетей анализа научных данных. Например, поиск планет в космическом пространстве, похожих на планету Земля. Квантовая информатика, разработка высоко-интуитивных систем управления – всё это благодаря оптическим технологиям.

Обычный компьютер обрабатывает информацию через алгоритмы или закодированные человеком правила. Нейронная сеть, напротив, использует фактор соединений между обрабатывающими элементами или нейронами, которые могут быть обучены распознавать определенные шаблоны стимулов.

Новая микросхема, изобретённая инженерами NIST, преодолевает серьезную проблему использования световых сигналов путем вертикальной укладки двух слоев фотонных волноводов.

Структура волноводов ограничивает свет в узких линиях при маршрутизации оптических сигналов, так же, как посредством проводников передаются электрические сигналы.

Поверхностное описание структуры

Этот трехмерный (3D) структурный анклав позволяет создавать сложные схемы маршрутизации, которые необходимы для имитации нейронных систем.

Кроме того, конструкцию достаточно легко модернизировать под включение дополнительных волноводных слоев, если это необходимо.

Сложенные волноводы образуют трехмерную сеть на 10 входов, каждый из которых подключается к 10 выходам. Образуется структура «входящих» и «нисходящих» нейронов, составляющая в целом 100 приемников.

Волноводы изготовлены из кремниевой пластины (нитрид кремния). Ширина волновода 800 нм, толщина 400 нм. Программистами рабочей группы создано программное обеспечение для автоматической генерации маршрутизации сигналов с регулируемыми уровнями связи между нейронами.

Авторами изобретения продемонстрированы две схемы управления выходной мощностью:

  1. Однородная схема (каждый выход получает одинаковую мощность).
  2. Распределённая схема (средние нейроны получают максимум мощности, периферические минимум).

Чтобы оценить результаты, были сделаны образы выходных сигналов. Все сигналы фокусировались с помощью объектива микроскопа на полупроводниковый датчик и обрабатывались в рамах изображений.

Этот метод позволяет одновременно анализировать многие устройства с высокой точностью. На выходе получили однородный сигнал, с низкой частотой ошибок, что подтвердило точное распределение мощности.


На основе информации: NIST