Ett oscillatorchip inspirerat av hjärnan
Vad får syrsor att sjunga i kör, eldflugor att blinka i harmoni och hur lagrar hjärnan minnen? En ny avhandling inom fysik introducerar en ny magnetisk oscillatoruppsättning genom vilken forskare hoppas kunna utveckla ett fysiskt system som imiterar den mänskliga hjärnan.
Figuren visar en matris med 16 oscillatorer representerade av gröna pilar.
Om en person påminns om sin första skidresa, börjar en stor samling samverkande neuroner i hjärnan agera i ett synkront mönster med en hastighet av flera hundra gånger per sekund. Det är samma mönster som nervcellerna avfyrade när personen åkte skidor för första gången. Mönstret förblir stabilt, även om de enskilda neuronerna kan förändras över tid. Det är därför våra minnen försvagas, men de glöms aldrig helt.
– Förmågan att memorera innebär att du bara behöver se "den frösta och sitsa boktsaevn i odren korrket plcaerade" för att kunna läsa en mening. Detta beror på att vår hjärna behandlar ord som mönster, inte som en grupp bokstäver, säger Mohammad Zahedinejad.
Inspirerad av hur hjärnan fungerar
I sin doktorsavhandling har Mohammad Zahedinejad inspirerats av hur neuroner i hjärnan interagerar. Hans avhandling introducerar en magnetisk oscillator som kallas spin Hall nano-oscillator och som uppträder som en konstgjord neuron.
– Oscillatorn svänger miljarder cykler per sekund, motsvarande GHz-frekvenser. Genom att utforska olika material ökade vi driftsfrekvensen för SHNOs specifikt för kommunikationssystem. Från det intervall som dagens 4G-operatörer kommunicerar, till tiotals GHz-frekvenser för 5G, allt uppnås med en enda nanoskalaenhet, säger Mohammad Zahedinejad.
Han och hans kollegor hoppas nu kunna skapa ett fysiskt system som kan fungera som den mänskliga hjärnan.
– När vi placerar våra oscillatorer nära varandra, som i tvådimensionella matriser, kan de interagera och ”viska” till sina grannar, så att de synkroniseras och alla fungerar på samma frekvens. Synkroniseringsfrekvensen, motsvarande minnet, är ett unikt svar på stimuli från de konstgjorda neuronerna.
Mohammad Zahedinejads avhandling presenterar praktiska tillvägagångssätt för att stimulera varje konstgjord neuron genom att tillämpa ett elektriskt fält och bädda in kortvariga minneselement, så kallade memristorer.
Snabb kognitiv hårdvara
Förhoppningen är att resultaten från avhandlingen kan leda till ultrasnabba hjärnliknande datorer som kan kommunicera med varandra.
– Avhandlingen påverkar allt från att förstå fysiken i starkt kopplade system till Internet of Things (IoT) där smarta maskiner kan lära sig, besluta och kommunicera via internet, säger Mohammad Zahedinejad.
Kontakt:
Mohammad Zahedinejad, institutionen för fysik vid Göteborgs universitet, 031-786914, 0702-52972, mohammad.zahedinejad@physics.gu.se
Handledare: Professor Johan Åkerman
Avhandlingens titel: Spin Hall nano-oscillator-matriser: mot GHz neuromorphics
Foto:
Figuren visar en matris med 16 oscillatorer representerade av gröna pilar.
Porträttbild av Mohammad Zahedinejad i labbet.