AI segít agyszerű, energiatakarékos számítógépek tervezésében

A processzor és a memória közötti távolságot csökkentenék

Hossein Mosallaei, a Northeastern University villamosmérnöki és számítástechnikai professzora, valamint csapata a „Self-Driving Discovery and Co-Design of MXene Memristors for 3D Compute-in-Memory Systems” című projekten dolgozik. A kutatás folytatására az Egyesült Államok energiaügyi minisztériumának AI Genesis Award programja biztosít támogatást a mikroelektronika területén.

A számítógépek hagyományosan külön egységben végzik a számításokat és tárolják az adatokat. A központi feldolgozóegység, vagyis a CPU utasításokat hajt végre, a véletlen hozzáférésű memória, a RAM pedig ideiglenesen tárolja a szükséges adatokat. Mivel a két feladat külön áramkörökben zajlik, az információ mozgatása energiát igényel, és lassíthatja a működést.

Az emberi agy ezzel szemben ugyanazt a fizikai hálózatot használja az információ feldolgozására és az emlékek kialakítására. Az idegsejtek közötti kapcsolatok ismételt aktiválása erősíti az adott mintázatot, így a tanulás és a felismerés fizikai nyomot hagy az idegrendszerben.

Nanométeres anyagok utánozzák a szinapszisokat

A kutatás középpontjában az úgynevezett MXene memrisztorok állnak. Ezek ultravékony, MXene-alapú anyagokból készülő alkatrészek, amelyek képesek feldolgozni az információt, miközben saját szerkezetükben megőrzik a korábbi aktivitás nyomát. A működésük ezért a szinapszisokhoz hasonlítható.

Az MXene-ek a metamateriálok közé tartoznak. Olyan anyagokról van szó, amelyeknél a természetben megtalálható építőelemeket új módon rendezik el. Az egyes rétegek körülbelül egy-két nanométer vastagok, miközben egy emberi hajszál átmérője 50 000 és 100 000 nanométer között van.

Egy MXene memrisztor két fématomréteg és a közöttük található anyagból felépülő apró szendvicshez hasonlítható. Feszültség hatására az elektromosság átjut a rétegeken, és egy vezető kapcsolat alakul ki. Ez a kapcsolat az áram megszűnése után is megmarad, így az eszköz rögzíteni tudja saját működésének előzményeit.

A memrisztorok háromdimenziós szerkezetbe rendezése Mosallaei szerint tovább növelheti a technológia jelentőségét. A rétegek közötti távolság, az ionok mozgási csatornája és az atomok pontos összetétele is szabályozható.

Az AI választja ki a működő konfigurációkat

A megfelelő anyagkombináció és rétegelrendezés megtalálása jelentős szűk keresztmetszetet jelentett. A kutatók ezért nagy nyelvi modelleket és aktív tanulást használnak arra, hogy átvizsgálják a lehetséges konfigurációkat, majd értékeljék, melyik működik a legjobban.

„Ha azt látjuk, hogy a kimenet nem jó, elvetjük azt a tervet” , magyarázta Mosallaei a Northeastern Global Newsnak. A biztatónak tűnő terveket megtartják, és ezek alapján folytatják a keresést.

A Department of Energy közleménye szerint az AI-t szuperszámítástechnikával ötvöző program 278 projektet támogat. Ezek az energia, a felfedező tudomány és a nemzetbiztonság területén céloznak áttöréseket.

Robotokban és viselhető eszközökben is használhatják

A Northeastern szerint a memrisztorok agy által inspirált kialakítása gyorsabb és energiahatékonyabb számítógépek alapja lehet. A lehetséges alkalmazások között robotok, okos viselhető eszközök, drónok, műholdak és mikroszkópok szerepelnek.

Az MXene-ek önmagukban is használhatók érzékelőkben, víztisztító és sótalanító eszközökben, valamint orvostechnikai berendezésekben, mivel elektromos vezetőképességgel, mechanikai szilárdsággal és szabályozható felületi kémiával rendelkeznek. A projekt jelentőségét így az adja, hogy ezekhez az anyagtulajdonságokhoz számítási és memóriafunkció is társulhat egyetlen szerkezetben.