Künstliche Synapsen simulieren Gehirn

"Memristor" soll Lernfähigkeit von Computern verbessern

Synapsen: Forscher nutzen natürliches Vorbild (Foto: flickr.com/Manel Torralba)

Amherst (pte004/29.09.2016/06:10) Wissenschaftler der University of Massachusetts Amherst http://umass.edu haben ein neuartiges elektronisches Bauteil entwickelt, das in der Lage sein soll, die neuronalen Verbindungen im menschlichen Gehirn so naturgetreu wie möglich zu simulieren. Der sogenannte "Memristor" ahmt dabei die Art und Weise nach, wie sich Kalzium-Ionen an der Kreuzung zwischen zwei Neuronen im Gehirn verhalten. Diese Kreuzung wird als Synapse bezeichnet. Von der neuen künstlichen Version erhoffen sich die Forscher "signifikante Fortschritte bei der Entwicklung von neuromorphischen Computern", die herkömmliche Rechner in punkto Energieeffizienz und Lernfähigkeit deutlich überflügeln sollen.

"Natürlichere, genauere Simulation"

"In der Vergangenheit haben die Leute Geräte wie Transistoren und Kondensatoren verwenden müssen, um das dynamische Verhalten von Synapsen im Gehirn zu simulieren", zitiert "LiveScience" Joshua Yang, Projektleiter und Professor an der Fakultät für Electrical and Computer Engineering http://ece.umass.edu . Manchmal habe das zwar funktioniert. "Diese Geräte haben aber keinerlei Ähnlichkeit zu echten biologischen Systemen", betont Yang. Daher seien sie in ihrer Funktionsweise auch nicht sehr effizient gewesen. "Das Ergebnis waren größere Systeme mit einem höheren Energieverbrauch und einer eingeschränkten Genauigkeit", so der Wissenschaftler.

Frühere Forschungen haben gezeigt, dass das menschliche Gehirn über rund 100 Mrd. Neuronen und schätzungsweise eine Quadrillion - eine Mio. Mrd. - Synapsen verfügt. "Ein Computer, der vom Gehirn inspiriert ist, sollte im Idealfall nicht nur dessen enorme Rechen-Power, sondern auch dessen Effizienz nachahmen können. Mit den dynamischen Synapsen unseres Systems können wir das menschliche Gehirn auf eine viel natürlichere, direktere und genauere Weise simulieren als bisher", ist Yang überzeugt.

Silber-Nanopartikel und Silizium-Film

Der "diffusive Memristor" besteht aus verschiedenen Clustern von Silber-Nanopartikeln, die in einen hauchdünnen Film aus Silizium-Oxynitriden eingebettet sind. Dieser Film fungiert als Isoliermaterial, das bei der Zuschaltung eines elektrischen Stromimpulses durch eine Kombination aus Hitze und elektrischen Kräften zum Aufbrechen des Clusters führt. Durch den entstandenen Bruch können dann Nanopartikel diffundieren, die elektrische Spannung von einer Elektrode zur andern übertragen. Wird der Stromimpuls abgeschaltet, sinkt die Temperatur und die winzigen Partikel verschmelzen wieder zu Clustern.

"Weil dieser Prozess sehr ähnlich abläuft wie bei Kalzium-Ionen in biologischen Synapsen, kann das künstliche Bauteil die kurzlebige Plastizität von Neuronen sehr gut nachahmen", erläutert Yang. Und genau hier liege auch der zentrale Knackpunkt zur Erreichung von Gehirn-ähnlichen Computern. "Das menschliche Gehirn ist immer noch der leistungsstärkste und effektivste Computer, der jemals entwickelt wurde. Es ist wesentlich kompakter gebaut und ressourcensparender als alle traditionellen elektrischen Geräte. Unser Ansatz erlaubt es vielleicht sogar, künstliche Synapsen zu bauen, die noch kleiner sind als ihre natürlichen Vorbilder", fasst der Forscher zusammen.

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