Сотрудники лаборатории стохастических мультистабильных систем Нижегородского государственного университета имени Н. И. Лобачевского разработали методологию, которая впервые позволяет напрямую сравнивать энергопотребление принципиально разных вычислительных архитектур — от обычных GPU и нейропроцессоров до экспериментальных мемристорных систем, имитирующих работу биологических нейронов.
До сих пор сравнить, сколько энергии тратит классическая нейросеть на видеокарте, спайковая нейросеть на специализированном чипе и мемристорное устройство, было затруднительно — у них разная архитектура и разные единицы измерения. Ученые ННГУ предложили единую метрику — энергопотребление на одно синаптическое событие — и применили ее сразу к нескольким типам систем, включая биологические синапсы человека и крысы.
Результат оказался показательным: органические мемристоры — устройства, имитирующие работу нейронных связей напрямую в материале, — расходуют на одно событие порядка нескольких фемтоджоулей, что сопоставимо с энергозатратами живого синапса и ниже, чем у любых цифровых аналогов.
«Главная особенность нашей работы заключалась в прямом сравнении различных вычислительных архитектур в единой системе измерения энергопотребления», — поясняет руководитель исследования Иван Кипелкин.Экспериментальной базой для расчетов стали неорганические мемристорные кроссбары — чипы архитектуры 32×8, изготовленные в ННГУ в рамках государственного задания по развитию электронной промышленности.
«На базе нашего вуза были проведены измерения токов, расчеты энергии переключения, а также анализ физических моделей нейронных осцилляторов на мемристорах», — рассказал директор НОЦ «Физика твердотельных наноструктур» Алексей Михайлов.По словам исследователей, результаты подтверждают необходимость отказа от классической архитектуры компьютеров в пользу вычислений, где обработка данных происходит прямо в памяти, а не отдельно от нее. В перспективе подобные энергоэффективные системы могут найти применение в автономных устройствах с ограниченным энергоресурсом — дронах, носимой электронике, нейропротезах и интерфейсах мозг-компьютер, где критична каждая единица потребляемой энергии.
Результаты исследования опубликованы в журнале IEEE Access. Работа велась совместно с Национальным центром физики и математики, а также при участии ученых из Сербии, Италии, США и Испании.
Проект реализуется в рамках программы Минобрнауки России «Приоритет-2030» (нацпроект «Молодежь и дети»).
