Мозг человека — чрезвычайно сложная система. Узнать в деталях о том, что происходит внутри, ученые пытаются многие сотни лет. Сейчас, с развитием компьютерных технологий, это получается намного лучше, чем раньше. Процесс изучения мозга сдвинулся с мертвой точки и постепенно идет вперед.

Уже давно известно, что мы традиционно не слишком сильны в проведении сложных вычислений, зато наш мозг одновременно выполняет множество задач. Причем многие задачи он выполняет гораздо лучше, чем машина. Например, распознавание изображений человеку дается очень хорошо. У компьютеров, даже сложных нейронных систем, с этим похуже. Еще одной особенностью человека является то, даже самые сложные вычисления мы проводим с гораздо меньшими затратами энергии, чем компьютеры. Немудрено, что ученые стараются построить хотя бы упрощенную модель работы мозга человека.

Обычно речь идет о программной модели. Сейчас появились и попытки создать аппаратное обеспечение, способное действовать, как система нейронов определенной части мозга человека. Такую модель, например, пытались ранее создать специалисты Apple, Intel и некоторых других компаний при помощи обычных полупроводниковых элементов. В рамках нового проекта, который реализуется объединенными усилиями нескольких компаний и организаций, включая Hewlett Packard Enterprise и даже ВВС США, удалось разработать мемристор, который ведет себя, как нейрон. Выполняемая недавно таким элементом работа предопределяет его ответную реакцию. Этого специалистам удалось добиться благодаря распылению металла в твердом мемристоре.

Такую конструкцию элемента специалисты предложили после изучения принципа работы обычного нейрона. Во многих случаях активность нейрона определяется не только типом сигнала, получаемого этим элементом. На самом деле, у этого элемента есть краткосрочная память. Если конкретный нейрон уже получал сигналы в недавнем прошлом, то его легче активировать, чем нейрон, который таких сигналов не получал. С течением времени, если нейрон не получает сигналов, его ответная реакция приходит в норму.

Ученые решили создать искусственный элемент, который реагировал бы на сигналы подобным образом. Идея была реализована, для этого понадобилось использовать сразу несколько достижений науки и техники. В частности, пригодились результаты исследований ученых-материаловедов.

Мемристором называют пассивный элемент в микроэлектронике, способный изменять своё сопротивление в зависимости от протекавшего через него заряда (интеграла тока за время работы). Работа устройства обеспечивается за счет химических превращений в тонкой (5 нм) двухслойной плёнке диоксида титана. Один из слоев пленки слегка обеднен кислородом, и кислородные вакансии мигрируют между слоями под действием приложенного к устройству электрического напряжения.

Авторы исследования создали мемристор на основе кремния, кислорода и азота. Для того, чтобы переключать мемристор в состояние «активен», ученые использовали мельчайшие частицы серебра. Как только на мемристор подается ток, элемент нагревается. Его нагрев приводит к рассеиванию серебра в твердой среде мемристора. Возникают «провода», которые соединяют два конца мемристора. В результате мемристор становится проводником электрического тока.

Но интересно даже не это, а то, что происходит при отключении электричества. В этом случае можно ожидать, что элемент будет находиться в состоянии c низким сопротивлением. На самом деле, в этом случае возникает явление, которое называют переконденсация или Оствальдовское созревание.

Это процесс конденсации пересыщенной фазы вещества на поздних временах развития, когда закончен этап нуклеации, а рост крупных зёрен новой фазы (например, капель из пара) происходит за счёт более мелких в условиях «подавления без поедания», то есть растворения капель без их слипания. Явление впервые описано Оствальдом.

В случае мемристора это означает то, что серебро не находится долгое время в виде нанопроволоки. Частицы этого элемента собираются вместе, постепенно укрупняясь. Меньшие частицы одного и того же элемента собираются вместе. Мемристор ведет себя подобно нейрону. Если повторный сигнал был подан на мемристор почти сразу после получения первого сигнала, то его проводимость с элементами серебра остается прежней, то есть — высокой. Но если на мемристор долгое время не подавать электричество, серебряная нанопроволока разделяется на меньшие частицы, которые расходятся по объему мемристора, и проводимость его падает до первончальных значений.

Специалисты считают, что при помощи группы таких мемристоров можно построить небольшую модель участка головного мозга. Пока что простую, но если все пойдет хорошо, ученые надеются построить первый в мире нейронный компьютер с «глубоким мышлением».

Nature Materials, 2016. DOI: 10.1038/NMAT4756 (About DOIs).