حققت التطبيقات المادية للشبكات العصبية الاصطناعية (ANNs) كفاءة طاقوية أعلى من أجهزة الكمبيوتر التقليدية في بعض مهام الحوسبة المكثفة للبيانات.

تبسيط البنية لتحقيق الكفاءة

في الدوائر العصبية الإلكترونية التقليدية المصنوعة بتقنية CMOS، مثل شريحة "Loihi" من إنتل أو "NorthPole" من آي بي إم، تعتمد دوائر الخلايا العصبية والمشابك عادة على عشرات الترانزستورات لمحاكاة النماذج المستوحاة من البيولوجيا تعتمد هذه الدوائر على وحدات جمع ومقارنة متزامنة، وكتل ذاكرة كثيفة الاستهلاك للطاقة وجداول بحث كبيرة لتحديد ديناميكيات كل مكون.

 

لذلك، يمكن أن يكون تبسيط هيكل الخلايا العصبية والمشابك الإلكترونية طريقا نحو دوائر عصبية أكثر كفاءة فمن خلال هذا البحث نوضح كيف يمكن لترانزستور واحد باستخدام أجهزة CMOS قياسية وفيزياء معروفة جيدا أن يحاكي سلوكيات كل من المشابك والخلايا العصبية، كل ذلك باستخدام خلية مكونة من ترانزستورين فقط واستغلال تأثيرات الجسم العائم في ترانزستورات CMOS، والتمكن من استخدام ظاهرة التأين بالاصطدام (impact ionization) واحتجاز الشحنات لبناء جهاز عصبي مشبكي قابل للتكوين داخل الدائرة ما نسميه خلية الذاكرة العشوائية العصبية المشبكية (NS-RAM)

 

آلية العمل

يكمن السر في ضبط مقاومة الطرف السفلي (bulk terminal) لقيمة محددة لتحفيز ظاهرة فيزيائية تعرف باسم "التأين بالاختراق" (punch-through impact ionization)، والتي تولد تيارا يشبه إلى حد كبير تفعيل الخلية العصبية، يمكن التحكم في هذا التفريغ الكهربائي المفاجئ عبر ترانزستور متصل بالطرف السفلي مما يسمح بضبط ديناميكيات التوقيت (مثل أوقات التكامل والاسترخاء وجهد العتبة) بدقة عالية لتخصيص الشبكات العصبية، إن هذه العملية قوية وقابلة للتكرار وتستند إلى فيزياء معروفة مما يوفر ميزة الموثوقية مقارنة بتقنيات ناشئة أخرى مثل الممرسات المتطايرة.

 

من خلية عصبية إلى مشبك إلكتروني

علاوة على ذلك، عند ضبط مقاومة الطرف السفلي لقيم أخرى، يمكن للترانزستور تخزين الشحنات في أكسيد البوابة مما يؤدي إلى تغيير مقاومته بشكل مستمر محاكيا بذلك سلوك المشبك الإلكتروني، يمكن الحفاظ على هذا السلوك لأكثر من 100 ألف دورة وهو أداء يفوق بعض ذواكر احتجاز الشحنات ويعادل تقنيات الممرسات الناشئة في سوق الذواكر المدمجة.

ولطالما اعتبرت ظاهرة "التأين بالاصطدام" آلية فشل في الترانزستورات السيليكونية، لكن فريق البحث تمكن من التحكم فيها وتحويلها إلى تطبيق صناعي عالي القيمة، إن هذا النهج يفتح نافذة كبيرة لتصميم أجهزة ودوائر عصبية باستخدام أي تقنية CMOS متاحة، مما يجعله خيارا جذابا للصناعة.