Khám phá bí mật để thiết kế thiết bị giống não người
Ngay cả trong hàng thập kỷ phát triển nhanh chưa từng thấy về sức mạnh tính toán, các công nghệ tính toán hiện đại vẫn thua bộ não người về nhiều khía cạnh. Bộ não của chúng ta hiệu quả một cách đáng kinh ngạc trong việc giải quyết những nhiệm vụ về nhận thức và không có sự phân tách giữa trí nhớ và tính toán, không như các bộ vi xử lý máy tính tiêu chuẩn.
Trong thập kỷ qua, mẫu hình mới của kỹ thuật biến đổi thần kinh đã xuất hiện với sự gợi ý của các mạng lưới thần kinh của bô não và trên cơ sở phần cứng hiệu quả về năng lượng trong xử lý thông tin.
Để tạo ra các thiết bị có thể bắt chước những gì xảy ra trong những neuron và khớp nối synapse trong bộ não của chúng ta, các nhà nghiên cứu cần vượt qua một thách thức kỹ thuật phân tử cơ bản: cách thieesrt kế các thiết bị có thể thể hiện được sự biến đổi có kiểm soát và hiệu quả năng lượng giữa các trạng thái khác nhau do những tác nhân đầu vào kích hoạt.
Trong một nghiên cứu gần đây, các nhà khoa học ở trường Kỹ thuật phân tử Pritzker (PME) thuộc trường đại học Chicago đã có thể dự đoán được những quy tắc thiết kế cho nhiều thiết bị.
Xuất bản trên tạp chí npj Computational Materials “Understanding the metal-to-insulator transition in La1−xSrxCoO3−δ and its applications for neuromorphic computing”, nghiên cứu này dự đoán những cách mới để thay đổi về mặt kỹ thuật và kích hoạt trong nhiều lớp chuyển đổi ô xít kim loại, vốn có thể được sử dụng để hình thành những cấu trúc kỹ thuật biến đổi thần kinh.
“Chúng tôi sử dụng các tính toán cơ học lượng tử để khám phá cơ chế của chuyển pha, nhấn mạnh một cách thực tế cách nó diễn ra tại mức nguyên tử”, Giulia Galli, giáo sư Liew Family tại trường Kỹ thuật phân tử Pritzker, giáo sư hóa học, và đồng tác giả nghiên cứu, nói. “Chúng tôi còn đặt một mô hình để tự đoán cách kích hoạt chuyển pha, có thể kiểm chứng bằng các phương pháp đo lường đang có”.
Giulia Galli, giáo sư Liew Family tại trường Kỹ thuật phân tử Pritzker.
Tác động của những sai hỏng của các tính năng điện tử
Các nhà nghiên cứu đã tìm hiểu các vật liệu ô xít có thể hiện sự thay đổi các tính năng điện tử từ một kim loại – vốn dẫn điện – thành một chất cách ly – vốn không cho phép dòng điện chạy qua – với việc hội tụ của nhiều sai hỏng. Những sai hỏng có thể là do mất các nguyên tử hoặc một số tạp chất thế chỗ các nguyên tử trong một tinh thể hoàn hảo.
Để hiểu về cách sai hỏng làm thay đổi trạng thái của vật liệu từ một kim loại thành chất cách ly, các tác giả đã tính toán cấu trúc điện tử tại những hội tụ sai hỏng khác nhau bằng việc sử dụng các phương pháp dựa trên cơ học lượng tử.
“Hiểu sự phụ thuộc lẫn nhau đầy phức tạp của việc mang các sai hỏng này, cách các nguyên tử tái sắp xếp trong vật liệu và cách các tính năng spin biến đổi là điều cốt lõi để kiểm soát và cuối cùng kích hoạt sự chuyển pha như mong muốn”, Shenli Zhang, một postdoct của trường đại học Chicago và là tác giả thứ nhất của bài báo, cho biết.
So sánh với những chất bán dẫn truyền thống, các vật liệu ô xít mà chúng tôi đã nghiên ứu đòi hỏi ít năng lượng hơn để chuyển giữa hai trạng thái khác nhau hoàn toàn này: từ một kim loại thành một chất cách ly”, Zhang giải thích. “Đặc điểm này khiến cho các vật liệu đó trở thành ứng viên hứa hẹn để sử dụng cho các neuron nhân tạo hay các synapse nhân tạo cho các kiến trúc biến đổi thần kinh quy mô lớn”.
Nghiên cứu này được thực hiện tại Trung tâm nghiên cứu Các vật liệu lượng tử cho Tính toán biến đổi thần kinh hiệu quả năng lượng (QMEENC), do Bộ Năng lượng Mỹ tài trợ và giáo sư Ivan Schuller tại UC San Diego dẫn dắt.
“Việc hiểu về các vật liệu lượng tử sẽ đem lại những giải pháp quan trọng cho các vấn đề khoa học và công nghệ, bao gồm việc giảm thiểu tiêu thụ trong những thiết bị tính toán”, giáo sư Schuller giải thích. “Với các vật liệu lượng tử phức hợp, cách tiếp cận kiểu Edison trong thử và sai không còn khả thi nữa, và các lý thuyết định lượng là cần thiết”.
Hiện có rất nhiều lý thuyết phức tạp đang đòi hỏi khả năng tính toán và mất nhiều thời gian thực hiện. “Các tính toán mang tính nguyên tắc đầu tiên đang đóng vai trò chính trong việc định hướng kỹ thuật phân tử của kỹ thuật biến đổi thần kinh. Thật thú vị khi thấy các phương pháp mà chúng tôi phát triển trong nhiều năm sẽ có trái ngọt”, Galli nói.
Thanh Phương dịch
Nguồn: https://phys.org/news/2020-11-scientists-uncover-secrets-brain-like-devices.html
