NIST’s Superconducting Hardware Could Scale Up Brain-Inspired Computing

NIST’s Superconducting Hardware Could Scale Up Brain-Inspired Computing

कंप्यूटिंग सिस्टम डिजाइन करने के लिए वैज्ञानिकों ने लंबे समय से मस्तिष्क को एक प्रेरणा के रूप में देखा है। कुछ शोधकर्ताओं ने हाल ही में एक दिमागी संरचना के साथ कंप्यूटर हार्डवेयर बनाकर और भी आगे बढ़ गए हैं। इन “न्यूरोमोर्फिक चिप्स” ने पहले से ही बहुत अच्छा वादा दिखाया है, लेकिन उन्होंने पारंपरिक डिजिटल इलेक्ट्रॉनिक्स का उपयोग किया है, उनकी जटिलता और गति को सीमित कर दिया है। जैसे-जैसे चिप्स बड़े और अधिक जटिल होते जाते हैं, उनके अलग-अलग घटकों के बीच के सिग्नल ग्रिडलॉक हाईवे पर कारों की तरह बैकअप हो जाते हैं और गणना को क्रॉल तक कम कर देते हैं।

अब, राष्ट्रीय मानक और प्रौद्योगिकी संस्थान (एनआईएसटी) की एक टीम ने इन संचार चुनौतियों के समाधान का प्रदर्शन किया है जो किसी दिन कृत्रिम तंत्रिका तंत्र को मानव मस्तिष्क की तुलना में 100,000 गुना तेजी से संचालित करने की अनुमति दे सकता है।

मानव मस्तिष्क लगभग 86 बिलियन कोशिकाओं का एक नेटवर्क है जिसे न्यूरॉन्स कहा जाता है, जिनमें से प्रत्येक के अपने पड़ोसियों के साथ हजारों कनेक्शन (सिनेप्स के रूप में जाना जाता है) हो सकते हैं। न्यूरॉन्स एक दूसरे के साथ संचार करते हैं, जो छोटे विद्युत दालों का उपयोग करते हैं जिन्हें स्पाइक्स कहा जाता है ताकि वे समृद्ध, समय-भिन्न गतिविधि पैटर्न बना सकें जो अनुभूति का आधार बनते हैं। न्यूरोमॉर्फिक चिप्स में, इलेक्ट्रॉनिक घटक कृत्रिम न्यूरॉन्स के रूप में कार्य करते हैं, एक दिमागी नेटवर्क के माध्यम से स्पाइकिंग सिग्नल को रूट करते हैं।

पारंपरिक इलेक्ट्रॉनिक संचार बुनियादी ढांचे से दूर, शोधकर्ताओं ने प्रत्येक न्यूरॉन पर छोटे प्रकाश स्रोतों के साथ नेटवर्क तैयार किए हैं जो हजारों कनेक्शनों को ऑप्टिकल सिग्नल प्रसारित करते हैं। यह योजना विशेष रूप से ऊर्जा-कुशल हो सकती है यदि सुपरकंडक्टिंग उपकरणों का उपयोग प्रकाश के एकल कणों का पता लगाने के लिए किया जाता है जिन्हें फोटॉन के रूप में जाना जाता है – सबसे छोटा संभव ऑप्टिकल सिग्नल जिसका उपयोग स्पाइक का प्रतिनिधित्व करने के लिए किया जा सकता है।

एक नए में प्रकृति इलेक्ट्रॉनिक्स कागज, एनआईएसटी शोधकर्ताओं ने पहली बार एक ऐसा सर्किट हासिल किया है जो एक जैविक synapse की तरह व्यवहार करता है फिर भी सिग्नल संचारित करने और प्राप्त करने के लिए केवल एक फोटॉन का उपयोग करता है। सुपरकंडक्टिंग सिंगल-फोटॉन डिटेक्टरों का उपयोग करके ऐसा कारनामा संभव है। एनआईएसटी सर्किट में गणना तब होती है जब एक सिंगल-फोटॉन डिटेक्टर एक सुपरकंडक्टिंग सर्किट तत्व से मिलता है जिसे जोसेफसन जंक्शन कहा जाता है। एक जोसेफसन जंक्शन एक पतली इन्सुलेट फिल्म द्वारा अलग किए गए अतिचालक पदार्थों का एक सैंडविच है। यदि सैंडविच के माध्यम से करंट एक निश्चित थ्रेशोल्ड मान से अधिक हो जाता है, तो जोसेफसन जंक्शन फ्लक्सन नामक छोटे वोल्टेज दालों का उत्पादन शुरू कर देता है। एक फोटॉन का पता लगाने पर, सिंगल-फोटॉन डिटेक्टर जोसेफसन जंक्शन को इस दहलीज पर धकेलता है और फ्लक्सन एक सुपरकंडक्टिंग लूप में करंट के रूप में जमा हो जाते हैं। शोधकर्ता किसी एक जंक्शन पर पूर्वाग्रह (सर्किट को शक्ति देने वाला एक बाहरी वर्तमान स्रोत) लागू करके प्रति फोटॉन लूप में जोड़े गए करंट की मात्रा को ट्यून कर सकते हैं। इसे सिनैप्टिक वेट कहते हैं।

यह व्यवहार जैविक सिनेप्स के समान है। संग्रहीत धारा अल्पकालिक स्मृति के रूप में कार्य करती है, क्योंकि यह एक रिकॉर्ड प्रदान करती है कि निकट अतीत में न्यूरॉन ने कितनी बार स्पाइक का उत्पादन किया। इस मेमोरी की अवधि उस समय से निर्धारित होती है जब सुपरकंडक्टिंग लूप में विद्युत प्रवाह को क्षय होने में समय लगता है, जिसे एनआईएसटी टीम ने प्रदर्शित किया है जो सैकड़ों नैनोसेकंड से मिलीसेकंड तक भिन्न हो सकता है, और संभवतः उससे आगे भी हो सकता है। इसका मतलब है कि हार्डवेयर का मिलान कई अलग-अलग समय के पैमाने पर होने वाली समस्याओं से किया जा सकता है – उच्च गति वाले औद्योगिक नियंत्रण प्रणालियों से लेकर मनुष्यों के साथ अधिक इत्मीनान से बातचीत तक। जोसेफसन जंक्शनों के पूर्वाग्रह को बदलकर अलग-अलग भार निर्धारित करने की क्षमता एक लंबी अवधि की मेमोरी की अनुमति देती है जिसका उपयोग नेटवर्क को प्रोग्राम करने योग्य बनाने के लिए किया जा सकता है ताकि एक ही नेटवर्क कई अलग-अलग समस्याओं को हल कर सके।

सिनैप्स मस्तिष्क का एक महत्वपूर्ण कम्प्यूटेशनल घटक हैं, इसलिए सुपरकंडक्टिंग सिंगल-फोटॉन सिनेप्स का यह प्रदर्शन सुपरकंडक्टिंग ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक नेटवर्क की टीम की पूर्ण दृष्टि को साकार करने के मार्ग पर एक महत्वपूर्ण मील का पत्थर है। फिर भी पीछा पूरा नहीं हुआ है। टीम का अगला मील का पत्थर पूर्ण सुपरकंडक्टिंग ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक न्यूरॉन्स को प्रदर्शित करने के लिए इन synapses को प्रकाश के ऑन-चिप स्रोतों के साथ जोड़ना होगा।

एनआईएसटी परियोजना के नेता जेफ शैनलाइन ने कहा, “हम कम्प्यूटेशनल समस्याओं को हल करने के लिए जो हमने यहां प्रदर्शित किया है उसका उपयोग कर सकते हैं, लेकिन इसका पैमाना सीमित होगा।” “हमारा अगला लक्ष्य अर्धचालक प्रकाश स्रोतों के साथ सुपरकंडक्टिंग इलेक्ट्रॉनिक्स में इस अग्रिम को जोड़ना है। यह हमें कई और तत्वों के बीच संचार प्राप्त करने और बड़ी, परिणामी समस्याओं को हल करने की अनुमति देगा।”

टीम ने पहले ही प्रकाश स्रोतों का प्रदर्शन किया है जिनका उपयोग एक पूर्ण प्रणाली में किया जा सकता है, लेकिन सभी घटकों को एक चिप पर एकीकृत करने के लिए और काम करने की आवश्यकता है। वर्तमान प्रणाली की तुलना में उच्च तापमान पर काम करने वाली डिटेक्टर सामग्री का उपयोग करके सिनेप्स को स्वयं में सुधार किया जा सकता है, और टीम बड़े पैमाने पर न्यूरोमॉर्फिक चिप्स में सिनैप्टिक वेटिंग को लागू करने के लिए तकनीकों की खोज कर रही है।

काम को रक्षा उन्नत अनुसंधान परियोजना एजेंसी द्वारा भाग में वित्त पोषित किया गया था।

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