Учёные создали фотонный «мозг»: микрочип имитирует нейроны с помощью света

19.03.2025 22:08:00 | iXBT.com

Исследователи Международной иберийской лаборатории нанотехнологий (INL) представили микроскопическое устройство, способное обрабатывать информацию подобно человеческому мозгу, но с использованием света вместо электричества. Размером с пылинку (6–10 микрометров), этот полупроводниковый чип из арсенида галлия генерирует ритмичные импульсы под воздействием инфракрасного излучения — как нейрон «общается» с другими клетками через синхронизированные сигналы. Технология может стать основой для нового поколения умных устройств: от роботов с мгновенной реакцией до компактных гаджетов, которые не греются и работают годами на одной батарее.

В основе разработки — феномен отрицательного дифференциального сопротивления (ОДС), который обычно возникает в сложных электронных схемах. Учёные впервые добились его появления под воздействием ближнего инфракрасного света (длина волны 830 нанометров). Когда луч попадает на поверхность чипа, структура из нанослоёв арсенида галлия начинает «пульсировать» — ток скачкообразно меняется при увеличении напряжения, создавая устойчивые колебания. Эти ритмичные импульсы, напоминающие активность биологических нейронов, возникают на частоте 350 тыс. раз в секунду и могут управляться интенсивностью света.

Изображения, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ), изготовленных сенсорных нейронных устройств осциллятора µRTD-PD с увеличивающимися диаметрами микростолбиков (d). (a) Общий вид всего устройства с d = 6 мкм. На вставке показано увеличенное изображение области микростолбиков. Увеличенные изображения микростолбиков устройств с диаметрами (b) d = 8 мкм и (c) d = 10 мкм. Источник: Scientific Reports (2025). DOI: 10.1038/s41598-025-90265-z

Ранние аналоги таких систем требовали дополнительных компонентов для обработки сигналов, но здесь сенсорные функции и генерация импульсов объединены в одном устройстве. В экспериментах чип демонстрировал стабильную работу даже после 1000 циклов: осцилляции включались при определённой яркости света и подавлялись при её снижении, имитируя процессы возбуждения и торможения в нервной системе. Например, короткие световые импульсы вызывали «пачку» сигналов, которую можно запрограммировать для распознавания образов или фильтрации данных — словно нейрон учится реагировать на внешние стимулы.

Главное преимущество технологии — энергоэффективность. Поскольку свет одновременно является и источником данных, и «топливом» для вычислений, система тратит минимум энергии на преобразование сигналов. Кроме того, скорость обработки в тысячи раз выше, чем у традиционных электронных нейроморфных чипов. Это открывает путь к интеграции разработки в системы машинного зрения для дронов, где задержка в миллисекунды может привести к аварии, или в умные контактные линзы, анализирующие окружение в реальном времени.

Учёные подчёркивают, что их фотонный нейрон совместим с существующими оптоэлектронными компонентами — лидарами, 3D-камерами и датчиками движения. Это позволит внедрять его в автономные автомобили, промышленных роботов и даже медицинские импланты без полного перепроектирования аппаратной части.

Подробнее