המוח שלנו הוא מכונה מופלאה. הוא יכול לחשב דברים מסובכים, להבין מושגים מופשטים, וגם ללמוד דברים חדשים. המוח האנושי עושה את כל הדברים האלה באמצעות אבני הבניין שלו - תאי העצב והסינפסות ביניהם. תאי העצב יוצרים תגובות לגירויים, קולטים ומעבדים מידע. הסינפסות הן החוליות המקשרות בין תאי העצב ומאפשרות למוח לבצע פעולות מורכבות. קרה לכן שלא זכרתן בדיוק את הסיסמה לאתר ההוא, אבל האצבעות הקלידו "מעצמן" את הסיסמה הנכונה? או שלא יכולתן להגיד בעל פה מה האקורד הבא לנגן, אבל איכשהו ניגנתן את כל השיר מושלם?
כל הפעולות המורכבות האלו מתאפשרות בזכות הקשרים בין תאי העצב. בתהליך הלמידה, מתחזקים קשרים מסוימים בין תאי עצב כך שכאשר תא אחד מופעל, התא הבא בתור בתהליך מופעל בקלות רבה יותר; פעולה אחת גוררת את השנייה בלי שנצטרך להתאמץ או לחשוב על זה יותר מדי. בכל פעם שאנחנו חוזרים על פעולות שגרתיות או מתאמנים ומתרגלים, מתחזקים במוח מסלולים מוגדרים של תאי עצב וסינפסות. ככל שתאי העצב במסלול מופעלים יותר פעמים, כך הקשר ביניהם חזק יותר. כמובן, שלא נרצה שתאי עצב שכנים יפעילו אחד את השני בטעות, ולכן קיים סף מסוים של גירוי שרק מעבר לו מופעל התא השכן.
בשנים האחרונות, רשתות עצביות מלאכותיות הפכו לכלי חישובי ביישומים שונים והתחום נחקר רבות גם באקדמיה. בעבר כתבנו לכם על רשת עצבית שתוכננה על ידי גוגל ומשחקת "תן קו" [1]. אותן רשתות עצביות מלאכותיות הן לא מודל מושלם למוח ביולוגי ואינן פועלות כמו "מוח בצנצנת", אך הן משתמשות בהפשטה של העקרונות הבסיסיים מאחורי מערכת העצבים כדי ליצור תוכנות שיכולות "ללמוד" ולפתור בעיות מסוימות בקלות רבה.
בנוסף לרשתות עצביות המיושמות בתוכנה, קיימות גם רשתות עצביות מלאכותיות המיושמות על ידי התקני חומרה. למשל, התקנים המבוססים על מוליכים למחצה - בדומה לרכיבי החומרה במחשב או בטלפון שלכם. רשתות עצביות המיושמות בחומרה, צפויות להיות יעילות יותר מאלו המיושמות בתוכנה, אבל הטכנולוגיה העדכנית עדיין לא מסוגלות להתחרות במוח האנושי.
בינואר השנה (2018), פרסמו מדענים מהמתקן בקולורדו של המכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה של ארצות הברית (NIST) שהם הצליחו ליצור סינפסה מלאכותית הצורכת אנרגיה הקטנה פי כמה מהסינפסות במוח שלנו.
מה דרוש כדי ליצור סינפסה מלאכותית? דרוש מתג, שמופעל רק מעבר לסף מסוים של גירוי. מעבר לכך, נרצה שהפעלות מרובות של המתג יגרמו להורדת סף הגירוי ולחיזוק הקשר בין תאי העצב - זהו תהליך הלמידה.
הסינפסה המלאכותית של NIST ממומשת באמצעות התקן המכונה "צומת ג'וזפסון". הצומת, הקרוי על שם בריאן ג'וזפסון [2], מורכב משני מוליכי על שביניהם מבודד [כתבנו בעבר סדרת פוסטים המסבירה על תופעת מוליכות העל]. מוליכי על הם חומרים שיכולים להעביר זרם חשמלי ללא התנגדות, ומתברר שגם כאשר מרחיקים בין שני מוליכי על ושמים ביניהם מבודד (שכבה דקה, בואו לא ניסחף פה), גם אז יכול לזרום זרם חשמלי ללא התנגדות. אם אין התנגדות, לא נוצר מתח חשמלי משני צידי הצומת - למרות שזורם בו זרם. אם נעלה את הזרם מעל זרם קריטי מסוים, הייחודי לכל צומת, יפסיק הצומת להעביר את הזרם ללא התנגדות ויוצרו קפיצות מתח. [למעוניינים בהרחבה, קפיצות המתח הן למעשה מערבולות העוברות בתוך הצומת מצד לצד, בדומה למה שתיארנו בעבר כאן].
החוקרים עשו שימוש בתכונה זו של צומת ג'וזפסון כדי לדמות את סף הגירוי הדרוש כדי "להפעיל" את הסינפסה. כאשר הזרם החשמלי העובר בסינפסה המלאכותית עולה על הזרם הקריטי של הצומת, קפיצות המתח מועברות דרך מעגל חשמלי אל "תא עצב" אחר והוא מופעל. הסינפסות המלאכותיות עשויות משתי שכבות של ניוביום (Niobium) שביניהן סיליקון מבודד, והן בצורת גליל בעל ממדים הקטנים מעשרה מיקרונים (מאית המילימטר).
כדי להוסיף לסינפסה המלאכותית יכולת של למידה – דהיינו, שהפעלה חוזרת ותכופה של הסינפסה תגרום להורדת סף ההפעלה שלה – הוסיפו החוקרים לסיליקון המבודד ננו-חלקיקים של המתכת המגנטית מנגן. כאשר מעבירים זרם חשמלי בסינפסה המלאכותית בנוכחות שדה מגנטי חיצוני, הזרם גורם לכך שהננו-חלקיקים "מסתובבים" כך שהשדה המגנטי שלהם מתיישר לפי השדה המגנטי החיצוני. התהליך דומה למיגנוט של מסמר או סיכה על ידי מגנט חזק. ככל שהננו-חלקיקים "ממוגנטים" יותר, הזרם הקריטי של הצומת נמוך יותר. כך למעשה יצרו החוקרים מצב שבו העברת זרם בסינפסה המלאכותית מנמיכה את הזרם הקריטי של הצומת, וכך מורידה את "סף הגירוי".
החוקרים מציינים שהפעלת הסינפסה המלאכותית דורשת אנרגיה של אטו-ג'ול (מיליארדית המיליארדית של ג'ול). אנרגיה זו נמוכה בערך פי אלף מהאנרגיה הדרושה להפעלת סינפסות במוח האנושי - גם כאשר לוקחים בחשבון את העובדה שהתקנים המבוססים מוליכי על צריכים לעבוד בטמפרטורות הקרובות לאפס המוחלט (בין 2-4 מעלות מעל האפס המוחלט, במקרה זה).
למרות שצומת ג'וזפסון הוא התקן יחסית פשוט שפותח לפני זמן רב, הפיתוח המבריק של הוספת החלקיקים המגנטיים מאפשר את תהליך הלמידה ומאפשר ליצור את הסינפסה המלאכותית באופן שהוא, לפחות על הנייר, פשוט. הפשטות הזאת היא גם אחת הסיבות שהסינפסה המלאכותית דורשת הרבה פחות אנרגיה מהסינפסות במוח שלנו. הסינפסות הביולוגיות הן הרבה יותר ממתג עם סף גירוי שניתן לכוונן, וכנראה שזו גם אחת הסיבות שהן מאפשרות למידה מורכבת לאין שיעור מרשתות עצביות מלאכותיות. בכל זאת - זהו צעד מבריק בכיוון הנכון למימוש רשתות עצביות מלאכותיות יעילות ומהירות, גם אם הן לא מדמות בדיוק את המוח האנושי.
*הכותבת מודה להדס סלוין על העזרה בכתיבת הטקסט.

המאמר המקורי (גישה חופשית)
הפרסום של NIST על המאמר