Výzkumníci z Národní univerzity v Singapuru (NUS) předvedli zásadní průlom, který může jednou provždy změnit vývoj umělé inteligence a výpočetních technologií. Ukázali, že zcela běžný křemíkový tranzistor – základní stavební prvek prakticky všech elektronických zařízení – dokáže napodobit chování jak biologického neuronu, tak synapse. A to bez potřeby speciálních materiálů nebo složitých obvodů.

Tato inovace, publikovaná 26. března 2025 v prestižním vědeckém časopise Nature, otevírá cestu k vývoji energeticky úsporných a škálovatelných čipů, které se přiblíží způsobu, jakým funguje lidský mozek.

Když křemík myslí jako člověk

Lidský mozek zůstává dodnes nepřekonaným vzorem pro efektivní zpracování informací. Přes 86 miliard neuronů a stovky bilionů synapsí spolupracují s neuvěřitelnou úsporou energie. Zatímco běžný počítač nebo datové centrum spolyká kilowatty elektřiny, náš mozek zvládne složité úkoly s výkonem pouhých 20 wattů – zhruba jako jedna úsporná žárovka.

Tato efektivita je jedním z důvodů, proč se výzkumníci už desítky let snaží vytvořit hardware inspirovaný biologickou nervovou soustavou. Oblast známá jako neuromorfní výpočty (neuromorphic computing) má za cíl replikovat nejen samotné výpočty, ale i způsob, jakým mozek ukládá a zpracovává informace přímo v paměti – tzv. in-memory computing.

Dosud však vývoj brzdila nutnost používat komplikované více-tranzistorové struktury nebo nové, experimentální materiály. Ty nejsou snadno vyráběné ve velkém měřítku, což ztěžovalo praktické nasazení.

Zdroj: Shutterstock

Tranzistor jako neuron i synapse

Tým pod vedením profesora Maria Lanzy z katedry materiálového inženýrství na NUS nyní dokázal, že stačí jediný běžný tranzistor, pokud se správně uspořádá a nastaví jeho elektrické vlastnosti. Díky specifickému řízení odporu v tzv. „bulk terminálu“ bylo možné ovládat dva klíčové fyzikální jevy uvnitř tranzistoru: průrazový ionizační efekt (punch-through impact ionization) a zachycování náboje (charge trapping).

Výsledkem je chování, které velmi věrně napodobuje jak neuronové impulzy (tzv. „spiky“), tak přizpůsobování synaptických vah – základní principy učení a paměti v biologických systémech.

NS-RAM: Paměť, která myslí

Dalším krokem bylo vytvoření dvoutranzistorové buňky nazvané NS-RAM (Neuro-Synaptic Random Access Memory). Tento nový typ paměti dokáže přepínat mezi režimem neuronu a synapse podle potřeby, čímž kombinuje výpočetní a paměťové funkce do jediného obvodu.

Na rozdíl od jiných přístupů, které vyžadují exotické materiály, NS-RAM funguje v rámci tradiční technologie CMOS – tedy stejných výrobních procesů, jaké se dnes používají pro výrobu procesorů a pamětí. To znamená, že nová technologie je plně kompatibilní s dnešními výrobními linkami, a tedy i prakticky nasaditelná v masové produkci.

Výkonné, úsporné a spolehlivé

Experimenty ukázaly, že NS-RAM buňky:

• spotřebovávají minimální množství energie,
• mají stabilní výkon i po mnoha cyklech provozu,
• vykazují konzistentní chování mezi různými čipy.

To vše jsou klíčové požadavky pro reálné použití v zařízeních, která potřebují výkonný a zároveň energeticky šetrný umělý mozek – od chytrých senzorů a robotů až po nositelnou elektroniku nebo zařízení s omezeným přísunem energie.