Chất liệu cho phép chúng ta ghi trên đĩa DVD còn có một tính chất hấp dẫn nữa: nó có thể giả lập các tế bào tần kinh của não và các tiếp xúc giữa chúng. Khám phá này có thể dẫn tới sự phát triển của các máy vi tính dạng não bộ, điều quan trọng là chúng hoạt động ở mức công suất cực thấp.
Máy vi tính dạng não bộ là một máy vi tính có khả năng học và thích nghi mà không cần lập trình ngoài. Một khả năng như thế sẽ cho phép máy trở nên tốt hơn ở những công việc như nhận dạng gương mặt và giọng nói. Chúng cũng có thể xử lí và lưu trữ dữ liệu ở cùng một chỗ - giống hệt như não vậy. Sự điện toán trước nay mất hiệu quả do giữ sự phân cách những chức năng này.
Kết nối và kết nối (Ảnh: Studio Macbeth/SPL)
Nay hai nhóm nghiên cứu vừa chế tạo ra các tế bào thần kinh nhân tạo, hay neuron, và synapse – tiếp xúc giữa chúng – sử dụng một hợp kim gọi là GST, viết tắt của các thành phần của nó: germanium,antimony và tellurium.
Ở Anh, David Wright và các đồng nghiệp tại trường Đại học Exeter đã tạo ra một neuron GST, còn tại trường Đại học Stanford ở California, nhóm của Philip Wong vừa tạo ra một synapse điện tử cỡ nano.
GST được gọi là hợp kim “biến đổi pha”, vì khả năng thay đổi cấu trúc phân tử của nó từ một tinh thể sang một “pha” vô định hình không có trật tự khi bị nóng lên. Trong DVD, sự chuyển pha này cho phép các bit nhị phân 0 và 1 được ghi lại và sau đó đọc bằng một laser.
Nhưng GST còn làm được nhiều thứ hơn là lưu trữ hai trạng thái. Những chỗ khác nhau bên trong một đốm GST nhỏ xíu có thể ở dạng kết tinh hoặc vô định hình với mức độ khác nhau, nghĩa là nó có thể lưu trữ thông tin trong một ngưỡng rộng hơn nhiều so với các giá trị đơn giản 0 hoặc 1. Điều này quan trọng vì nó là khởi đầu của những tín hiệu vào gây ra một “lửa” neuron thật sự khi nó đạt tới một ngưỡng nhất định.
Neuron của Wright có khả năng bắt chước sự bắt lửa ngưỡng này vì điện trở của GST giảm đột ngột khi nó chuyển từ pha vô định hình sang pha kết tinh. Vì thế, tín hiệu vào ở dạng những xung điện được cho tác dụng lên neuron nhân tạo – và người ta nghĩ rằng nó bắt lửa khi điện trở của nó giảm nhanh.
Tài năng của GST không dừng lại ở đó. Khi một neuron thật sự bắt lửa, thì tầm quan trọng của tín hiệu đó đối với neuron tiếp theo mà nó lan tới được thiết lập bởi độ bền của synapse liên kết chúng lại. Trong tự nhiên, độ bền này được điều chỉnh trong một quá trình gọi là tính dẻo phụ thuộc thời gian xung: nếu neuron thứ nhất bắt lửa nhiều lần trước neuron thứ hai, thì độ bền của synapse tăng lên, nhưng nếu neuron thứ hai bắt lửa trước, thì độ bền của nó giảm đi.
Duygu Kuzum, một thành viên của đội Stanford, cho biết khả năng thay đổi điện trở của GST đã cho phép họ lập trình nó để biến đổi bằng phương pháp động lực độ bền của những synapse nhân tạo cỡ nano mà họ vừa chế tạo ra. Điều này cho phép họ dành ưu tiên cho những tín hiệu thần kinh nào quan trọng nhất trước bất kì công việc nào đã cho.
Với bề ngang chỉ 75 nanomet, synapse nhân tạo này có thể mang lại công suất thấp mà các máy vi tính dạng não bộ đã và đang tìm kiếm, Kuzum nói. Những tính toán của đội nghiên cứu cho biết một hệ với 1010 synapse sẽ chỉ tiêu thụ 10 watt – so với 1,4 megawatt cần thiết cho một siêu máy tính mô phỏng chỉ 5 giây hoạt động não.
Cuộc chạy đua chế tạo bộ não nhân tạo
Các chất liệu biến đổi pha đang cạnh tranh với ít nhất là ba phương pháp khác hướng đến sự điện toán dạng não bộ.
Trong dự án Blue Brain, nhóm của Henry Markram tại Viện Công nghệ Thụy Sĩ ở Lausanne nhắm tới việc sáng tạo ra một mô hình phần mềm của cơ chế hóa sinh của não bộ trên một siêu máy tính.
Và trong tuần này, trường Đại học Manchester ở Anh đã bắt đầu xây dựng Spinnaker – một máy vi tính 1 tỉ neuron – sử dụng những bộ vi xử lí thông minh, mỗi bộ mô phỏng 18.000 neuron. Sức bền kết nối giữa các neuron được lưu trữ bằng một bộ nhớ trên chip.
Các “memristor” (“nhớ trở”) cũng có thể có điện trở của chúng được “lập” bởi một điện áp đặt vào chúng, biến chúng thành đối thủ mạnh đối với neuron và synapse.
Nguồn: New Scientist
