Az emberi agy körülbelül 86 milliárd neuronnal rendelkezik, amiket szinapszisok kötnek össze, melyek az agyi áramkörök erősítésével vagy gyengítésével folyamatosan alkalmazkodnak az ingerekhez. Ez az adaptív folyamat teszi lehetővé az agynak a tanulást.

Most a Harvard Egyetem anyagtudósai létrehoztak egy új típusú tranzisztort, ami a szinapszisok viselkedését utánozza. Shriram Ramanathan, a kutatás vezetője elmondta, az eszköz egyidejűleg modulálja az információáramlást az áramkörben, és alkalmazkodik fizikailag a váltakozó jelekhez. A fejlesztőcsapat szerint eszközük egy újfajta mesterséges intelligenciát vezethet be, ami nem egy szoftverbe, hanem magába a számítógép hardverébe fog beágyazódni, mindezt az energiahatékonyság jegyében, eddig ugyanis a sebesség volt az elsődleges.

Az emberi elme körülbelül 20 Watt energiával zakatol elképesztő hatékonysággal, nem véletlen, hogy a mérnökök szeretnének minél többet átültetni rendszereikbe a természet e csodájából. "Az általunk bemutatott tranzisztor valóban az emberi agy szinapszisának megfelelője" - mondta Jian Shi, a kutatócsoport tagja. "Minden alkalommal, amikor egy neuron valamilyen tevékenységet kezdeményez, egy másik neuron pedig erre reagál, a köztük levő szinapszis megnöveli a kapcsolat erősségét, és minél gyorsabbak a neuronok hullámai, annál erősebb a szinaptikus kapcsolat. Gyakorlatilag memorizálja a neuronok közötti cselekményt"

Agyunkban kalcium-ionok és receptorok idézik elő egy szinapszisban a változást, míg a mesterséges változat oxigén-ionokkal éri el ugyanezt a képlékenységet. Elektromosság alkalmazásakor ezek az ionok be- és kicsúsznak egy rendkívül vékony (80 nanométeres) szamárium-nikkelát hártya kristályrácsába, ami úgy viselkedik, mint egy szinaptikus csatorna két platina "axon" és "dendrit" terminál, a valódi neuronok nyúlványainak mesterséges megfelelői között. Az anyagok egy szokatlan osztályához, a korrelált elektronrendszerekhez tartozó nikkelátban az ionok váltakozó koncentrációja növeli vagy csökkenti a vezetőképességüket, amivel információt szállítanak egy elektromos feszültségben, és ahogy egy természetes szinapszis esetében, a kapcsolat erőssége az elektromos jel időbeli késleltetésétől függ.

Az eszköz két platina elektróda közé ágyazott nikkelát félvezetőből, valamint némi ionos folyadékból áll. Egy külső áramköri multiplexer alakítja a késleltetést feszültséggé, ami az ionos folyadékra hatva létrehoz egy elektromos mezőt, ami vagy a nikkelátba vezeti az ionokat, vagy eltávolítja azokat. A teljes eszköz, ami csupán néhány száz mikron hosszú, egy szilícium chipbe van ágyazva.

A hagyományos szilícium tranzisztorokkal ellentétben a szinaptikus tranzisztor nem korlátozódik az egyesek és nullák bináris rendszerére. "Ez a rendszer analóg módon változtatja meg vezetőképességét, folyamatosan, ahogy az anyag összetétele változik" - magyarázta Shi. "A CMOS, a hagyományos áramköri technológia alkalmazása elég nagy kihívást jelentene egy szinapszis imitálásához, mivel a valós biológiai szinapszis gyakorlatilag végtelen számú lehetséges állapottal rendelkezik - nem csupán 'ki' és 'be' állással"

A szinaptikus tranzisztornak van egy másik előnye is, tette hozzá a kutatócsapat harmadik tagja, Sieu D. Ha. Ez nem más, mint a megmaradó (non-volatile) memória, ami azt jelenti, hogy az eszköz akkor is emlékszik az állapotára, ha megszakad az energiaellátása. Mérnöki szemszögből a csapat szerint a nikkelát-rendszer zökkenésmentesen beilleszthető a jelenlegi szilícium alapú rendszerekbe. "Ennek az anyagnak az elképesztő érzékenységét aknázzuk ki" - magyarázta Ramanathan. "Egy egészen kis gerjesztéssel egy hatalmas jelet kapunk, vagyis egészen kis beviteli energiára van szükség a működtetéséhez"

Jelenleg a korlátokat a viszonylag ismeretlen anyagrendszer szintetizálása és az eszköz mérete jelenti, ami hatással van a sebességére, ezek áthidalása érdekében a csapat mikrofolyadék szakértőket kért fel a projektben való közreműködésre.