Sinapsis superconductoras para los cerebros artificiales.

Investigadores del National Institute of Standards and Technology(NIST) han construido un interruptor superconductor que "aprende" como un sistema biológico y podría conectar procesadores y almacenar recuerdos en computadoras futuras con capacidad de operar como el cerebro humano. El interruptor NIST, descrito en la publicación Science Advances (Ultra-low power artificial synapses using nano-textured magnetic Josephson junctions), es denominado “sinapsis”, como su contraparte biológica y proporciona una pieza faltante para las llamadas computadoras neuromórficas. La sinapsis NIST son uniones Josephson personalizadas. Estas uniones constituyen un sándwich de materiales superconductores con un aislante como relleno. La sinapsis usa electrodos estándar de niobio y tiene un relleno único hecho de manganeso nanoclusters en una matriz de silicio. Cuando una corriente eléctrica a través de la unión excede un nivel llamado corriente crítica se producen picos de tensión. Los nanoclusters, unos 20.000 por micrómetro cuadrado, actúan como pequeños imanes "giratorios" que se pueden orientar aleatoriamente o de forma coordinada. La cantidad de nanoclusters apuntando todos en la misma dirección se puede controlar, lo que afecta las propiedades superconductoras de la unión. La sinapsis descansa en un estado superconductor, excepto cuando se activa por la corriente entrante y comienza a producir picos de voltaje.

Operación básica de las sinapsis artificiales NIST's. Crédito NIST

Los investigadores aplican pulsos de corriente en un campo magnético para aumentar el orden magnético, es decir, el número de nanoclusters apuntando en la misma dirección.Este efecto magnético reduce progresivamente el nivel crítico de corriente, facilitando la creación de un conductor normal. La corriente crítica es más baja cuando todos los nanoclusters están alineados. El proceso también es reversible: los pulsos se aplican sin un campo magnético para reducir el orden magnético y elevar la corriente crítica. Este diseño, en el que diferentes entradas alteran los giros de alineación y las señales de salida resultantes, es similar a cómo funcionan las sinapsis en el cerebro. La sinapsis NIST tiene menores necesidades de energía que las sinapsis humana y pueden ser utilizadas en computadoras neuromórficas. Hechas de componentes superconductores con capacidad de transmitir la electricidad sin resistencia son mucho más eficientes a las diseñadas con semiconductores o software. Los datos se transmitiran, procesaran y almacenaran en unidades de flujo magnético. Mientras más disparos entre celdas o procesadores, más fuerte es la conexión. Tanto la sinapsis real como la artificial pueden mantener circuitos viejos y crear otros nuevos. La sinapsis NIST puede disparar mucho más rápido que el cerebro humano: mil millones de veces por segundo en comparación con las  50 veces por segundo de las células cerebrales y usando sólo un soplo de energía, aproximadamente la diezmilésima parte de una sinapsis humana. 

Lectura complementaria

Ultralow power artificial synapses using nanotextured magnetic Josephson junctions.