Ultra yüksek hızlı ve düşük enerjili yapay sinir hücre devresinin tasarımı ve gerçeklenmesi

Etkili hesaplama işlemlerinde kullanılmak amacıyla insan beyin fonksiyonlarının ve genel prensiplerinin yapay nöronlar aracılığıyla nasıl taklit edileceğinin anlaşılması, mevcut bilim topluluğunu etkilemiştir. İşlevsellik, sinir hücreleri veya nöronlar olarak bilinen beyin hücrelerinin kendiliğinden birleşmesinden gelmektedir. İnsan beyin hücresinin moleküler düzeyde modellenmesi, biyolojik karmaşıklığı nedeniyle pratik değildir. Matematiksel yaklaşımlar ve teknolojik gelişmeler, yapay nöron modellerinin donanım ve yazılım uygulamasını kolaylaştırmaktadır. Sayısal yazılım araçları, yapay sinir ağlarında (YSA) biyolojik sinir ağı davranışını benimsemek için yapay sinirleri birbirine bağlamaktadır. YSA yazılım araçları, YSA'ların öğrenme becerileri, hesaplama gücü ve paralel işlem yoluyla yüksek hesaplama hızının olması nedeniyle sinir ağı uygulamalarının kullanımında geniş çapta kabul görmektedir. Ayrıca, YSA modelleri geleneksel hesaplama cihazlarından daha basittir. Yüksek performanslı sayısal işlem devrelerinde, bir nöron hücresi karmaşık problemlerin çözülebilme imkanlarını geliştirmektedir. Bu nedenle, temel bir nöron modeli, çip üzerinde bir YSA veya hibrit dijital devre oluşturma kapasitesine sahiptir. Bu çalışmada, biyolojik beyin hücresini taklit etmek için, çip üzerinde YSA oluşturma ve sızıntılı Topla ve Ateşle Nöron (Integrate and Fire Neuron, IFN) modelini sağlama potansiyeli olan bir Josephson Eklemi (Josephson Junction, JJ) tabanlı Yapay Nöron (Josephson Junction based Artificial Neuron, JJ-AN) devresi sunulmaktadır. Tasarlanan yapay nöron devresi, üç ana yapıdan oluşur: bir direnç tarafından kesintiye uğratılmış İki Eklemli Süperiletken Kuantum Girişim Aygıtı (Superconducting Quantum Interference Device, SQUID) yapısı (eşik döngüsü), seri direnç ve indüktans yapısı (sönümlenme döngüsü) ve eşik döngü ile sönümlenme döngü indüktansları arasındaki karşılıklı indüklenme. Sunulan model, sadece bir giriş ve bir çıkış portuna sahiptir ve bu yapı, devreyi nispeten basit olarak tanımlamaktadır. Bununla birlikte, nöron devresi, diğer nöron devreleriyle birlikte kullanılmasının yanı sıra Tek Akı Kuantum (Single Flux Quantum, SFQ) dijital kütüphane devreleriyle de bir araya getirildiği için böyle bir tasarımın optimizasyonu çok önemli bir süreçtir. Nöron modelinin çalışma frekansı 120 GHz'ye kadar gözlemlenmiştir. Araştırma için bir örnek olarak, farklı eşik değerleri oluşturan iki parametre seti, minimum çalışma aralığı sırasıyla %±23 ve %±7, eniyileyici tarafından ayarlanıp oluşturulmuştur.