Изобретение открывает путь к биокомпьютерам и эффективным нейрочипам.
Создан искусственный нейрон с электрическими параметрами, аналогичными таковым у живых клеток.
Об этом своем изобретении инженеры Массачусетского университета в Амхерсте (UMass Amherst) сообщили на страницах журнала Nature Communications. Прорыв базируется на предыдущих их работах, в которых использовались генерирующие электричество бактерии.
«Наш мозг обрабатывает огромный объем данных. Но его энергопотребление очень, очень низкое, особенно по сравнению с количеством электроэнергии, необходимой для работы большой языковой модели вроде ChatGPT», — объясняет аспирант Шуай Фу с кафедры электротехники и вычислительной техники UMass Amherst, ведущий автор исследования.
Человеческое тело более чем в 100 раз энергоэффективнее, чем электрическая схема компьютера. Головной мозг состоит из миллиардов нейронов — специализированных клеток, которые отправляют и получают электрические импульсы по всему телу. Он потребляет порядка 20 ватт — и этого хватает на различные задачи, например, написание рассказа. LLM может потратить на то же самое до мегаватта электричества.
Хотя инженеры-электрики и компьютерные инженеры давно интересовались использованием искусственных нейронов в качестве схем для более эффективных компьютеров, проблема осталась в том, как поддерживать их напряжение достаточно низким.
«Предыдущие версии искусственных нейронов использовали в 10 раз большие напряжения — и в 100 раз больше энергии, — чем та, которую мы создали», — хвалится старший автор Цзюнь Яо, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники UMass Amherst.
Это означает, что предыдущие попытки создания искусственных нейронов были не так уж эффективны — ввиду невозможности подключения напрямую к живым нейронам, которые «пугались» бы повышенной амплитуды.
«Наши нейроны регистрируют всего 0,1 вольта, что примерно соответствует напряжению нейронов в нашем теле», — уточняет Яо.
У новинки широкий спектр применений — от перепроектирования компьютеров по вдохновленным живыми организмами и гораздо более эффективным принципам до электронных устройств, которые могли бы напрямую «общаться» с нашим телом.
«Сейчас у нас есть всевозможные носимые сенсорные электронные системы, но они сравнительно громоздки и неэффективны. Всякий раз, когда они считывают сигнал тела, его приходится электрически усиливать для анализа компьютером. Промежуточный этап усиления увеличивает как потребляемую мощность, так и сложность схемы, тогда как сенсоры на основе наших низковольтных нейронов могли бы обойтись без какого-либо усиления вообще», — говорит биоинженер.
Секретным ингредиентом нового низкопотребляющего нейрона команды стал белковый нанопровод, синтезированный из замечательной бактерии Geobacter sulfurreducens, которая также обладает сверхспособностью к выработке электричества. Ученые уже применяли белковые нанопроводы этой бактерии для создания целого ряда необычайно эффективных устройств: биопленки, вырабатывающей из пота электроэнергию для питания персональной электроники, «электронного носа», способного учуять болезнь, и устройства, которое можно собрать практически из чего угодно и которое способно извлекать электричество буквально из воздуха.