인공 뉴런은 인간의 두뇌만큼 효율적일 수 있습니다.

• MIT 연구원들이 초전도 나노와이어에서 인공 뉴런을 설계했습니다.
• 이론적으로는 이러한 뉴런의 간단한 회로가 인간의 두뇌만큼 효율적으로 작동할 수 있습니다.
• 네트워크는 와트당 초당 100조 개의 시냅스 작업을 수행할 수 있습니다.

과학에 알려진 가장 매혹적인 컴퓨팅 장치는 인간의 두뇌입니다. 단일 구성 요소인 뉴런 그룹의 도움으로 다양한 복잡한 작업을 수행할 수 있습니다.

기가헤르츠 속도로 실행되는 최신 CPU와 달리 뇌는 몇 헤르츠의 클럭 속도로 작동합니다. 그러나 초당 수조 개의 계산을 [병렬로] 수행하므로 대화, 걷기, 운전 등 기존 컴퓨터에서는 아직 달성하지 못한 복잡한 작업을 인간이 쉽게 수행할 수 있습니다.

오늘날의 컴퓨팅 장치와 비교할 때 우리의 두뇌는 이러한 작업을 수행하는 데 에너지를 거의 소모하지 않습니다. 따라서 연구자들은 효율적인 신경망을 사용하여 인간 두뇌의 컴퓨팅 성능을 모방하려고 합니다. 기존의 마이크로프로세서는 신경망처럼 작동하도록 프로그래밍할 수 있지만 과도한 양의 계산 리소스와 에너지를 사용합니다.

이 문제를 해결하기 위해 MIT의 컴퓨터 과학자들은 인공 뉴런을 만들고 인간의 두뇌와 같은 네트워크에서 함께 연결하는 아이디어를 내놓았습니다. 이 설계를 구현하기 위해 그들은 초전도 나노와이어에서 인공 뉴런을 설계했습니다.

이러한 인공 뉴런으로 만들어진 장치는 인간의 두뇌만큼 효율적으로 작동할 수 있습니다(적어도 이론상).

인공 뉴런의 주요 기능

생물학적 뉴런은 신경의 길이를 따라 이동하는 정보를 인코딩하기 위해 전기 스파이크를 생성합니다. 정보는 시냅스(두 신경 세포 사이의 접합부)를 통해 다른 뉴런으로 전달됩니다.

다른 뉴런은 이 정보를 전달하거나 차단할 수 있습니다. 실제로, 논리 게이트처럼 작동하여 여러 입력에 대한 응답으로 하나의 출력을 생성할 수 있습니다.

이 뉴런은 들어오는 전기 펄스가 임계값을 초과하지 않는 한 발화하지 않습니다. 불응기라고 하는 일정 시간이 지나야 다시 발사할 수 있습니다.

출처:arXiv:1907.00263

새로운 초전도 나노와이어는 생물학적 뉴런의 이러한 모든 기능을 모방합니다. 그것들은 임계값보다 높은 전류가 나노와이어를 통해 흐를 때 나노와이어의 초전도성이 파괴되도록 하는 이상한 비선형 속성을 가지고 있습니다.

이것은 저항의 급격한 증가로 인해 발생하며, 이는 생물학적 뉴런의 전기 스파이크와 유사한 전압 펄스를 생성합니다. 두 번째 나노와이어에서 생성된 다른 펄스를 변조하는 데 사용할 수 있어 시뮬레이션이 훨씬 더 정확해집니다.

이미지 출처:Adobe Stock

따라서 나노와이어로 구성된 간단한 회로는 발화 임계값, 이동 시간(회로 속성을 조정하여 조정할 수 있음) 및 내화 기간을 포함하여 뉴런의 주요 특성을 모방할 수 있습니다.

전력 효율성 및 제한 사항

이러한 초전도 회로의 에너지 효율은 생물학적 신경망의 에너지 효율과 일치할 수 있습니다. 연구팀에 따르면, 그들이 제안한 인공 신경망은 와트당 초당 약 100조 개의 시냅스 작업을 수행할 수 있습니다.

시뮬레이션은 유망해 보입니다. 성공하면 속도와 파워 면에서 경쟁이 치열한 기술이 될 수 있다. 이 설계는 패턴 인식과 같은 복잡한 작업을 수행하기 위해 스파이크 신경망으로 훈련될 수 있는 대규모 뉴로모픽 프로세서를 활성화할 수 있습니다.

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다른 개념과 마찬가지로 초전도 뉴런은 몇 개의 다른 뉴런에만 연결될 수 있다는 한계가 있습니다. 반면 생물학적 뉴런은 수천 개의 다른 뉴런과 연결됩니다. 현재로서는 원리 증명 시연이 필요한 설계일 뿐입니다.