Sinapsi artificiale sviluppata per l’elaborazione simile al cervello con Nitride Semiconductors compatibile con l’industria

Gli scienziati hanno utilizzato il nitruro di scandio (ScN), un materiale semiconduttore con stabilità suprema e compatibilità CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor), per sviluppare un’elaborazione cerebrale. Questa invenzione può fornire un nuovo materiale per funzionalità sinaptiche optoelettroniche stabili e compatibili con CMOS a un costo energetico relativamente inferiore e quindi ha il potenziale per essere tradotto in un prodotto industriale.

I computer tradizionali hanno unità di archiviazione e di elaborazione della memoria separate fisicamente. Di conseguenza, ci vogliono enormi energie e tempo per trasferire i dati tra queste unità durante un’operazione. Al contrario, il cervello umano è un computer biologico supremo, più piccolo ed efficiente grazie alla presenza di una sinapsi (la connessione tra due neuroni) che svolge il ruolo sia di processore che di unità di memoria. Nell’attuale era dell’intelligenza artificiale, l’approccio informatico simile al cervello può aiutare a soddisfare le crescenti esigenze computazionali. Lo sviluppo di hardware neuromorfico mira a mimare una sinapsi biologica che monitora e ricorda il segnale generato dallo stimolo. Gli scienziati hanno cercato di creare un dispositivo sinaptico artificiale che non soffra di ritardi RC, mostri un’ampia larghezza di banda, consumi poca energia e sia stabile, scalabile e compatibile con CMOS.

Un team di scienziati del Jawaharlal Nehru Center for Advanced Scientific Research (JNCASR) di Bangalore, un istituto autonomo del Dipartimento di Scienza e Tecnologia del governo indiano, che stava lavorando su materiali a base di nitruro, ha utilizzato il proprio background per lo sviluppo di hardware per il calcolo neuromorfico . Hanno usato ScN per sviluppare un dispositivo che imita una sinapsi che controlla la trasmissione del segnale e ricorda il segnale.

Questo lavoro di Dheemahi Rao e del suo team dimostra una sinapsi optoelettronica artificiale con film sottili ScN in grado di imitare funzionalità sinaptiche come la memoria a breve termine, la memoria a lungo termine, la transizione dalla memoria a breve termine a quella a lungo termine, l’apprendimento-dimenticanza, la frequenza selettiva filtraggio ottico, potenziamento e depressione dipendenti dalla frequenza, apprendimento hebbiano e operazioni di gate logico.

Inoltre, con concentrazioni variabili di drogante di magnesio (Mg), nello stesso materiale è possibile ottenere operazioni sia eccitatorie (aumento della forza corrente/sinaptica) che inibitorie (diminuzione della forza corrente/sinaptica) che non sono facilmente possibili con altri materiali. L’aumento della resistività (fotoconduttività negativa) in ScN e la diminuzione della resistività (fotoconduttività positiva) in ScN drogato con Mg su luce splendente sono stati usati rispettivamente come natura eccitatoria e inibitoria della sinapsi. La persistenza nella fotoconduttività dopo lo spegnimento della luce agisce come un ricordo che dura da alcuni minuti a diversi giorni, a seconda della natura dello stimolo. Questo lavoro è la prima dimostrazione di una sinapsi optoelettronica con un semiconduttore di nitruro di gruppo III compatibile con chip CMOS.

Rispetto ai materiali esistenti utilizzati per dimostrare la sinapsi optoelettronica, ScN è più stabile, compatibile con CMOS e può essere perfettamente integrato con la tecnologia Si esistente. Può fungere da piattaforma per funzioni sia eccitatorie che inibitorie. Le tecniche di lavorazione industriale di ScN sono simili all’infrastruttura di fabbricazione di semiconduttori esistente. La risposta allo stimolo ottico ha anche il vantaggio di una possibile integrazione con circuiti fotonici noti per velocità più elevate e larghezza di banda più ampia rispetto ai circuiti elettronici.

“Il nostro lavoro consente la ricerca sul calcolo neuromorfico con un semiconduttore III-nitruro stabile, scalabile e compatibile con CMOS che presenta funzionalità sinaptiche sia eccitatorie che inibitorie. A differenza dei precedenti lavori sulla sinapsi completamente elettronica, il nostro lavoro mostra una sinapsi optoelettronica con un’ampia larghezza di banda, ritardi RC ridotti e basso consumo energetico”, ha affermato il dott. Bivas Saha, Assistant Professor presso il Jawaharlal Nehru Center for Advanced Scientific Research. Oltre al JNCASR, anche i ricercatori dell’Università di Sydney (Dr. Magnus Garbrecht e Dr. Asha IK Pillai) hanno partecipato a questo studio pubblicato di recente sulla rivista scientifica Advanced Electronic Materials.

Pubblicazione:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aelm.202200975

Per maggiori dettagli si prega di contattare il Dott. Bivas Saha, ID e-mail: bsaha[at]jncasr[dot]AC[dot]in, Cellulare: +91-80-2208-2619

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