Ny upptäckt banar väg för mer hjärnliknande datorer

Att få datorer att göra beräkningar lika energisnålt som våra hjärnor har länge varit ett mål för forskningen. Nu har en studie, ledd av forskare vid Göteborgs universitet, för första gången lyckats kombinera en minnesfunktion med en beräkningsfunktion i samma komponent. Upptäckten banar väg för effektivare teknik i alltifrån mobiltelefoner till självkörande bilar.

Datorer som kan ta sig an avancerade kognitiva uppgifter som att känna igen språk och bilder – eller som har övermänskliga schackkunskaper – har tack vare AI-tekniker fått stort genomslag de senaste åren. Samtidigt är den mänskliga hjärnan än så länge överlägsen när det gäller hur effektivt och energisnålt som uppgifterna kan utföras.

– Att hitta nya sätt att göra beräkningar som liknar hjärnans energieffektiva processer har varit ett stort forskningsmål i årtionden. Just kognitiva uppgifter som bild- och röstigenkänning kräver mycket datorkraft, och energisnålare lösningar är särskilt viktiga i mobila applikationer som exempelvis mobiltelefoner, drönare eller satelliter, säger Johan Åkerman, professor i tillämpad spinntronik vid Göteborgs universitet.

Viktigt genombrott
Han har i samarbete med en forskargrupp vid Tohoko University lett en studie som nu har tagit ett viktigt steg på vägen. I studien, som har publicerats i den högt rankade tidskriften Nature Materials, har forskarna för första gången lyckats koppla samman de två huvudsakliga verktyg som finns för de avancerade beräkningarna: oscillatornätverk och memristorer.
Johan Åkerman beskriver oscillatorer som svängningskretsar som kan göra beräkningar, och som kan liknas vid mänskliga nervceller. Memristorer är programmerbara resistorer som också kan utföra beräkningar och dessutom har inbyggt minne, och som därmed kan liknas vid minnesceller. När forskarna nu har kunnat integrera de båda, är mycket vunnet.  

– Det här är ett viktigt genombrott eftersom vi visar att det går att kombinera en minnesfunktion med en beräkningsfunktion i samma komponent. De här komponenterna fungerar mer som de energismarta neurala nätverken i hjärnan, och kan därför bli viktiga byggstenar i framtida, mer hjärnliknande datorer, säger han.

Öppnar för energisnålare teknik
Enligt Johan Åkerman öppnar upptäckten för snabbare, smidigare och mindre energikrävande teknik inom en mängd områden. Han framhåller att det är en stor fördel att forskargruppen har lyckats framställa komponenterna i extremt små format: hundratals komponenter får plats på en yta som motsvarar en bakteries storlek. Det kan få särskilt stor betydelse för mindre applikationer som mobiltelefoner.

– Många funktioner i mobiltelefoner skulle underlättas med mer energieffektiva beräkningsmöjligheter. Ett exempel är digitala assistenter som Siri eller Google. Idag sker all hantering via servrar eftersom beräkningarna kräver för mycket energi för mobilernas små format. Om beräkningarna istället kan göras lokalt, direkt i mobilen, kan de ske snabbare och enklare när ingen uppkoppling mot servrar behövs, säger han.

Han nämner självkörande bilar och drönare som andra exempel där en mer energisnål beräkningskapacitet skulle föra utvecklingen framåt.

– Ju mer energieffektivt det går att göra kognitiva beräkningar, desto fler tillämpningar öppnar sig. Därför har vår studie verkligen potential att flytta området framåt, säger han.

Kontakt: Johan Åkerman, professor i tillämpad spinntronik vid Göteborgs universitet, tel 070-7104360, e-post: johan.akerman@physics.gu.se

Titel: Memristive control of mutual spin Hall nano-oscillator synchronization for neuromorphic computing

Vetenskaplig tidskrift: Nature Materials

Om forskningen
Studien har letts av professor Johan Åkerman vid Göteborgs universitet, som också är senior författare till artikeln. Försteförfattare är Mohammad Zahedinejad som doktorerade vid Göteborgs universitet 2019. Studien har skett i samarbete med en forskargrupp vid Tohoko University i Japan inom ramen för projektet TOPSPIN, som är finansierat av europeiska forskningsrådet ERC.  

Om forskningsområdet
Neuromorphic computing är ett AI-kopplat forskningsområde där målet är att imitera hur hjärnans neurala nätverk fungerar. I forskningen används nya algoritmiska tillvägagångssätt som efterliknar hur den mänskliga hjärnan interagerar med världen för att leverera kapacitet närmare mänsklig kognition.

Förklaring till illustrationen
De tre understa färglagren illustrerar en oscillator, som kan göra olika sorters beräkningar när den växelverkar med andra oscillatorer i ett nätverk eller en kedja. Ovanpå denna syns ett ljust isolerande lager med en röd och svart kontakt överst. Via kontakten går det att kontrollera hur jonerna (de mörkgråa kulorna) i isolatorn ska placera sig och på så sätt går det att styra vilken resistans som isolatorn ska få. Detta är den så kallade memristorn, och den bidrar med minne till oscillatorn. När dessa två funktioner nu första gången har integrerats i samma komponent, innebär det att varje oscillator – som kan liknas vid en neuron – nu kan ha sitt eget lokala minne oberoende av de andra.

Ulrika Ernström
Presskommunikatör
Naturvetenskapliga fakulteten, Göteborgs universitet
Telefon: 031-786 6970, 0766-186970
E-post: ulrika.ernstrom@science.gu.se

Göteborgs universitet är ett av de stora i Europa med 53 500 studenter och 6 500 anställda. Verksamheten bedrivs av åtta fakulteter, till allra största del i centrala Göteborg. Utbildning och forskning har stor bredd och hög kvalitet – det vittnar sökandetryck och nobelpris om. www.gu.se.  Följ oss på Twitter. Gilla oss på Facebook. Följ oss på Instagram.

Taggar: