テキサス A&M 大学、サンディア国立研究所リバモア、スタンフォード大学の研究者チームは、脳から教訓を得て、より効率的なコンピューティングのためのマテリアルを設計しています。発見された新しい種類の材料は、この種のものとしては初めてのものであり、伝送線路に沿って電気信号を伝播する際に電気信号を自発的に伝播させることによって軸索の挙動を模倣するものである。これらの発見は、コンピューティングと人工知能の将来にとって重要になる可能性があります。

この研究は、自然。

どれでも電気信号金属導体中を伝播すると、金属の自然抵抗により振幅が失われます。最新のコンピュータ処理 (CPU) およびグラフィック処理装置には、チップ内で電気信号を伝達する約 30 マイルの細い銅線が含まれている場合があります。これらの損失はすぐに増加するため、アンプはパルスの完全性を維持する必要があります。これらの設計上の制約は、現在の相互接続が密なチップのパフォーマンスに影響を与えます。

この制限に対抗するために、研究者らは軸索からインスピレーションを得ました。軸索は、脊椎動物の神経細胞またはニューロンの一部であり、伝達することができます。電気インパルス神経細胞体から遠ざけます。

「多くの場合、私たちはある場所から別の、より離れた場所にデータ信号を送信したいと考えます」と、主著者であり、サンディア国立研究所の博士研究員であり、元博士課程の学生であるティム・ブラウン博士は述べています。材料科学テキサス A&M でエンジニアリングを担当しました。

「たとえば、CPU チップの端から中央付近のトランジスタに電気パルスを送信する必要があるかもしれません。最も伝導性の高い金属であっても、抵抗は室温伝送信号は継続的に消散するため、通常は伝送ラインに割り込んで信号をブーストし、エネルギー、時間、スペースを消費します。生物学は物事を異なる方法で行います。脳内の信号の一部はセンチメートルの距離を越えて送信されますが、はるかに抵抗力のある有機物で作られた軸索を介して、信号を中断したり増幅したりすることはありません。」

テキサス A&M の材料科学工学部の准教授であるパトリック シャンバーガー博士によると、軸索は通信の高速道路であるとのことです。それらは、1 つのニューロンから隣接するニューロンに信号を伝達します。ニューロンは信号の処理を担当しますが、軸索はあるニューロンから隣のニューロンに信号を伝達する光ファイバーのようなものです。

軸索モデルと同様に、この研究で発見された材料は準備された状態で存在し、電圧パルスが軸索を通過する際に自発的に増幅することができます。研究者らは、加熱すると導電性がさらに高まるランタンコバルト酸化物の電子相転移を利用した。この特性は、信号が素材を通過するときに生成される少量の熱と相互作用し、正のフィードバック ループが発生します。

その結果、小さな摂動の増幅、負の電気抵抗、AC信号の異常に大きな位相シフトなど、通常の受動電気部品（抵抗、コンデンサ、インダクタ）では観察されない一連の奇妙な動作が生じます。

シャンバーガー氏によれば、これらの材料は半安定な「ゴルディロックス状態」で存在するため、ユニークであるという。電気パルスは減衰したり、熱暴走を起こして破壊したりすることはありません。その代わり、材料は一定の電流条件下に保持されると自然に発振します。研究者らは、この動作を利用してスパイク動作を作成し、伝送線路に沿って伝わる信号を増幅できると判断しました。

「私たちは本質的に材料の内部不安定性を利用しており、それが電子パルスを通過する際に強化し続けます。伝送線路。この行動は私たちの共著者であるスタン・ウィリアムズ博士によって理論的に予測されていましたが、これはその存在の最初の確認です。」

これらの発見は、エネルギー使用の需要が増大するコンピューティングの将来において重要となる可能性があります。データセンターは 2030 年までに米国の電力の 8% を使用すると予想されており、人工知能によってその需要が劇的に増加する可能性があります。長期的には、これは動的マテリアルを理解し、生物学的インスピレーションを利用してより効率的なコンピューティングを促進するための一歩となります。