Исследователи из Международной Иберийской лаборатории нанотехнологий (INL) сделали значительный шаг в области вычислений, вдохновленных работой мозга. Они разработали крошечный квантовый диод с резонансным туннелированием (RTD), который имитирует сенсорный нейрон.
Этот прибор, созданный по аналогии с тем, как биологические нейроны обрабатывают информацию, способен улавливать свет и преобразовывать его в электрические сигналы в рамках одного наномасштабного компонента. Он работает быстро, эффективно и с минимальными затратами энергии.
Доктор Бруно Ромейра, исследователь INL и ведущий автор исследования, подчеркнул важность этого открытия для развития вычислительных технологий и оптического зондирования. «Это возможно благодаря использованию квантовых явлений», — пояснил он.
Разработанная система основана на полупроводниковой структуре III–V, которая включает элементы из третьей (B, Al, Ga, In) и пятой (N, P, As, Sb) групп периодической таблицы. Эти материалы широко применяются в фотонике и высокоскоростной электронике и специально адаптированы для реакции на ближний инфракрасный свет, что позволяет эффективно обнаруживать и обрабатывать сигналы на наномасштабе.
Новые принципы обработки информации
Докторант INL Бежойс Джейкоб, ведущий автор исследования, объясняет, что при превышении определённого порога интенсивности света устройство переходит в состояние отрицательного дифференциального сопротивления. Это вызывает колебания напряжения большой амплитуды, при которых входной световой сигнал преобразуется в ритмические электрические импульсы, аналогичные тем, что возникают в биологических нейронах.
По словам Джейкоба, традиционные нейроморфные аппаратные решения требуют сложных схем, содержащих отдельные компоненты памяти и генераторы колебаний для имитации обработки информации биологическими нейронами. Это увеличивает размеры, энергопотребление и сложность системы. Однако новый прибор объединяет все эти функции в одном компактном элементе. Он не только обнаруживает свет, но и кодирует оптическую информацию в электрические колебания, что значительно расширяет его возможности по сравнению с обычными датчиками.
Учёные считают, что способность устройства к сенсорному восприятию приближает создание интеллектуальных систем обработки данных «на месте», исключая необходимость в громоздких внешних процессорах.
Перспективы и применение в реальном мире
Особенность нового устройства заключается в том, что его работа напоминает биологические процессы, происходящие в живых организмах. Учёные провели аналогию с ритмическими импульсами нейронов, которые помогают стрекозам отслеживать добычу, а у млекопитающих участвуют в сенсорной обработке и координации работы мозга.
Исследователи уверены, что воссоздание таких естественных нейронных ритмов в аппаратных системах откроет путь к созданию био-вдохновлённых систем искусственного зрения. Такие технологии позволят машинам «видеть», понимать и реагировать на окружающую среду с помощью миниатюрных и энергоэффективных устройств.
Компактность нового устройства и его совместимость с существующими платформами III–V делают его идеальным для интеграции в будущие оптические сенсоры и системы. В их числе – автономные транспортные средства, передовые системы LiDAR (оптического зондирования и дальнометрии) и ультрабыстрая визуальная обработка в робототехнике.
Учёные уверены, что их открытие приблизит создание аппаратуры, способной не только фиксировать информацию об окружающем мире, но и интерпретировать её аналогично живым системам.
Исследование было опубликовано в научном журнале Scientific Reports.
