Optisch-neuronale Netzwerke für die Datenanalyse

NIST meldet Durchbruch beim Bau eines neuronalen Chips

| Autor / Redakteur: Dr. Dietmar Müller / Dietmar Müller

Wissenschaftler des National Institute of Standards and Technology (NIST) haben einen Silizium-Chip gefertigt, der optische Signale über ein hirnähnliches Raster verteilt.
Wissenschaftler des National Institute of Standards and Technology (NIST) haben einen Silizium-Chip gefertigt, der optische Signale über ein hirnähnliches Raster verteilt. (Bild: gemeinfrei - Chiles/NIST / CC0)

Künstliche neuronale Netze sind in. Als Teilgebiet der künstlichen Intelligenz werden in der Informatik die Strukturen „echter“ neuronale Netze nachgebildet, um Maschinenlernen zu ermöglichen. Nun haben Wissenschaftler des National Institute of Standards and Technology (NIST) einen Silizium-Chip gefertigt, der optische Signale über ein hirnähnliches Raster verteilt - und damit ein potenzielles neues Design für neuronale Netzwerke darstellt.

Künstliche neuronale Netzwerke sind der Versuch, das menschliche Gehirn mit seinen Milliarden von Neuronen (Nervenzellen), die jeweils Tausende von Verbindungen zu anderen Neuronen haben, nachzuahmen. Im Unterschied zu konventionellen Computern, die Informationen durch Algorithmen oder menschlich codierte Regeln verarbeiten, setzt ein neuronales Netzwerk auf ein Netzwerk von Verbindungen zwischen Verarbeitungselementen beziehungsweise Neuronen, die geschult werden können, bestimmte Reizmuster zu erkennen. So ein Netzwerk künstlich herzustellen, war bislang aber sehr schwierig. Das Problem stellt das extrem komplexe Routing dar, das für neuronale Netze typisch ist.

Die nun vom NIST-Team vorgeschlagene Lösung sieht vor, Licht statt Strom als Signal zu nutzen. Der Einsatz von Licht würde Störungen durch elektrische Ladung beseitigen, die Signale könnten schneller und weiter reisen. „Die Vorteile von Licht könnten die Leistung von neuronalen Netzen für die wissenschaftliche Datenanalyse verbessern", so NIST-Physiker Jeff Chiles. Als potentielle Einsatzgebiete nennt er die Suche nach erdähnlichen Planeten oder auch die Quanten-Informationswissenschaften sowie die Entwicklung von Steuerungssystemen für autonome Fahrzeuge.

Der NIST-Chip, der bislang nur in einer Studie beschrieben wird, überwindet eine große Herausforderung für die Verwendung von Lichtsignalen, indem er zwei Schichten von photonischen Wellenleitern vertikal stapelt. So entstehen Strukturen, die das Licht in schmale Linien für das Routing optischer Signale leiten, ähnlich wie Drähte die elektrischen Signale. Dieses dreidimensionale Design ermöglicht komplexe Routing-Schemata, wie sie typisch sind für neuronale Systeme. Darüber hinaus lässt sich dieses Design durch den Einbau zusätzlicher Wellen-Leitschichten leicht erweitern.

Gestapelte Wellen

Die gestapelten Wellenführungen bilden ein dreidimensionales Raster mit zehn Eingängen oder „Upstream“-Neuronen, die sich jeweils mit zehn Ausgängen oder „Downstream“-Neuronen verbinden, für insgesamt 100 Empfänger. Die Wellenführungen sind aus Silizium-Nitrid gefertigt und jeweils 800 Nanometer (nm) breit und 400 nm dick. Die Forscher haben eine Software entwickelt, mit der automatisches Signal-Routing ermöglicht wird.

„Wir haben hier zwei Dinge getan“, erläutert Chiles. „Zum einen haben wir angefangen, die dritte Dimension zu nutzen, um mehr optische Konnektivität zu ermöglichen, und wir haben zum anderen eine neue Messtechnik entwickelt, um Geräte in einem photonischen System schnell zu charakterisieren. Beide Fortschritte sind von entscheidender Bedeutung beim Aufbau massiver optoelektronischer neuronaler Systeme.“

* Dr. Dietmar Müller ist freie Autor und lebt in Niederbayern.

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