По волне голографической памяти

Искусственная нейронная сеть с сотней «синапсов» между элементами.

В Самаре и Калифорнии наши соотечественники создали принципиально новые устройства памяти, которые могут преобразить привычную электронику.

В мозге человека память хранится в элементах трехмерных нейронных сетей и извлекается (узнавание, например, знакомого лица в толпе) в норме за 150 миллисекунд (стандартное время реакции). Ее хранилище все время пополняется новыми впечатлениями и сведениями, которые преобразуются и сохраняются долгое время благодаря пластичности нервных элементов и контактов-синапсов между ними (число их достигает 1015).

Дмитрий Струков и его коллеги по Калифорнийскому университету в Санта-Барбаре, а также К. Лихерев из университета в г. Стоуни-Брук, штат Нью-Йорк, рассказали в журнале Nature о созданной ими искусственной «нейронной сети», насчитывающей всего сотню синапсов. Тем не менее, несмотря на фоновый шум, эта искусственная нейронная сеть уверенно распознает буквы N, V и Z. Сеть пока слишком мала для практического применения, но у нее несомненное преимущество в том, что она построена на так называемых мемристорах с использованием окислов металлов, а не на привычном чипе.

Мемристор (Memory + Resistor) в отличие от транзистора «оперирует» не легкими, способными к туннельному «растеканию» электронами (это их свойство используется в сканирующем туннельном микроскопе), а тяжелыми ионами. Этим мемристор напоминает оболочку нейрона, через которую по белковым каналам тоже «текут» ионы, например, калия и натрия (приход калия в клетку возбуждает ее; уход натрия успокаивает). Память на основе мемристоров имеет то преимущество перед стандартной электронной, со множеством транзисторов на кремниевом чипе, что у последних потребляемая энергия деградирует в тепло (почему ноутбуки и не могут избавиться от вентиляторов).

Но электроны тоже не сдают позиций. У. Сафронова из Университета штата Невада в г. Рено и М. Сафронова из Делаварского университета в г. Ньюарке доказали это с помощью критически возбужденных атомов рубидия. Статья об этой работе появилась в журнале Physical Review A. Интерес к таким атомам связан с тем, что их можно использовать в качестве процессоров квантовой информации (кубитов). Они взаимодействуют друг с другом, давая логические «ворота».

Голографическая память, хранящая информацию в 3D-конфигурациях разного цвета. Иллюстрации Physorg

А в парижской Эколь Нормаль сумели «расщепить» электрон пополам (на два волновых пакета). Это обещает использование в чипах квантовых проводников и испускателей одиночных электронов. Длина волны таких «одиночек» меньше таковой у фотонов, что способствует миниатюризации устройств на их основе. Отчет об этих экспериментах опубликован в журнале Nature Communications.

В прошлом году исследователи саратовского Института радиоэлектроники РАН описали голографическую, или 3D-память. Голография использует волновую природу света. Волны интерферируют друг с другом (для чего используются два лазера). Но голограммы можно делать и с помощью других волн, например электронных (недаром первые голограммы были получены в электронном микроскопе). В магнитных материалах возникают спиновые волны, или коллективные осцилляции-колебания, фазой которых можно кодировать входящие сигналы. Спиновые волны имеют значительно меньшую длину волны по сравнению со световыми.

Первая память могла хранить всего два бита информации, через год авторы представили на суд коллег устройство, которое за время менее 100 наносекунд распознает все числа от 0 до 10 млн!

Новые сообщения показывают, что недалеко то время, когда микроэлектроника постепенно начнет отходить на второй план (как это произошло после начала эры транзисторов с электромеханикой). Новая память, которая имитирует достижения биологии нейронных сетей, и приход 3D-цепей резко увеличат оперативные возможности информационных технологий. Нечто подобное мы видели, когда громоздкие и малой мощности интегральные схемы (БИСы) чуть ли не в одночасье были заменены на кремниевые чипы, плотность размещения транзисторов на которых сегодня достигает миллионов штук.