Mažas, savarankiškai organizuotas dirbtinių sinapsių tinklas prisimena jų patirtį ir gali išspręsti paprastas problemas. Jos kūrėjai tikisi, kad kada nors remiantis šiomis dirbtinėmis smegenimis bus sukurti prietaisai, kurių energijos vartojimo efektyvumas nėra prastesnis nei smegenų skaičiavimo galia. Apskritai, jei mes praleidžiame jų pasiekimus mąstydami ir spręsdami problemas, tai puikus energijos vartojimo efektyvumas. Smegenims reikia tokio paties energijos kiekio, kad jos veiktų kaip 20 vatų kaitrinė lempa. O vienas galingiausių ir greičiausių superkompiuterių pasaulyje „Computer K“, Kobe, Japonijoje, naudoja iki 9,89 megavatų galios - maždaug tiek, kiek 10 000 namų. Bet 2013 m., Net naudojant šią energiją, mašina užtrukdavo 40 minučių, kad per 1 sekundę imituotų 1% žmogaus smegenų veiklos.
Taigi mokslininkai, dirbantys NanoSystems institute Kalifornijoje, Kalifornijos universitete, Los Andžele tikisi varžytis su smegenų skaičiavimo ir energijos efektyvumo galimybėmis, nes sistemos atspindi smegenų struktūrą. Jie sukuria įrenginį, galbūt pirmąjį tokio tipo, kuris yra „įkvėptas smegenų generuoti savybes, leidžiančias smegenims daryti tai, ką daro“, - sako Adomas Stigas, instituto tyrėjas ir docentas, vadovaujantis projektui su Jimu Gimrzewskiu, Kalifornijos universiteto chemijos profesoriumi. Los Andžele.
- „Salik.biz“
Jų dizainas visiškai nepanašus į paprastų kompiuterių, kurių pagrindą sudaro maži laidai, atspausdinti ant silicio mikroschemų labai tvarkingose schemose. Dabartinė eksperimentinė versija yra 2 x 2 mm sidabro nanovielių tinklelis, sujungtas dirbtinėmis sinapsėmis. Skirtingai nuo silicio grandinių savo geometriniu tikslumu, šis prietaisas yra austas kaip „gerai išmaišytas indas spagečiams“, sako Stigas. Be to, jo smulki struktūra yra sudaryta iš atsitiktinių cheminių ir elektrinių procesų, todėl nėra kruopščiai suprojektuota.
Dėl savo sudėtingumo šis sidabrinis tinklas primena smegenis. Kiekviename tinklelio kvadratiniame centimetre yra milijardas dirbtinių sinapsių, tai yra keletas didumo laipsnių, skiriasi nuo tikrųjų smegenų. Elektrinis tinklo aktyvumas taip pat parodo savybę, išskirtinę tokioms sudėtingoms sistemoms kaip smegenys: „kritiškumas“, būsena tarp tvarkos ir chaoso, rodanti maksimalų efektyvumą.
Šis labai susipynusių nanovielių tinklas gali atrodyti chaotiškai ir atsitiktinai, tačiau jo struktūra ir elgsena primena smegenų neuronų struktūrą. „NanoSystems“mokslininkai plėtoja tai kaip smegenų įrenginį mokymuisi ir skaičiavimui.
Be to, išankstiniai eksperimentai rodo, kad šis neuromorfinis (t. Y. Į smegenis panašus) sidabro vielos tinklas turi didelį funkcinį potencialą. Ji jau gali atlikti paprastas edukacines ir logines operacijas. Tai gali pašalinti nepageidaujamą triukšmą iš gauto signalo, svarbų balso atpažinimo gebėjimą ir panašias užduotis, kurios sukelia problemų tradiciniuose kompiuteriuose. Ir jos egzistavimas įrodo principą, kad vieną dieną bus galima sukurti prietaisus, kurių energijos vartojimo efektyvumas yra artimas smegenų energijai.
Šie pranašumai yra ypač įdomūs atsižvelgiant į artėjančią silicio mikroprocesorių miniatiūrizacijos ir efektyvumo ribą. „Moore'o įstatymas nebegalioja, puslaidininkiai nebegali tapti mažesni, o žmonės pradeda vargti, ką daryti“, - sako Alexas Nugentas, neuromorfinių kompiuterių įmonės, nedalyvaujančios UCLA projekte, vadovas „Knowm“, generalinis direktorius. „Man patinka ši idėja, ši kryptis. Įprastinės skaičiavimo platformos yra milijardą kartų mažiau efektyvios “.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Jungiamos kaip sinapsės
Kai Gimrzewskis prieš 10 metų pradėjo dirbti prie savo sidabro tinklelio projekto, jis visiškai nesidomėjo energijos vartojimo efektyvumu. Jam buvo nuobodu. Naudodamas skenavimo tunelinį mikroskopą, kad 20 metų tyrinėtų elektroniką atominėje skalėje, jis pagaliau pasakė: „Aš pavargau nuo tobulumo ir tikslios kontrolės bei šiek tiek pavargau nuo redukcionizmo“.
Reikėtų manyti, kad redukcionizmas yra visų šiuolaikinių mikroprocesorių pagrindas, kai sudėtingus reiškinius ir grandines galima paaiškinti naudojant paprastus reiškinius ir elementus.
2007 m. Jo buvo paprašyta ištirti atskirus atominius jungiklius (arba jungiklius), kuriuos sukūrė Tarptautinio nanoarchitektonikos medžiagų centro Tsukuboje, Japonijoje, Masakazu Aono grupė. Šiuose jungikliuose buvo tas pats ingredientas, kuris sidabrinį šaukštą paverčia juodu, kai liečiamas su kiaušiniu: geležies sulfidas, esantis tarp kieto metalo sidabro.
Įtampos taikymas įrenginiams teigiamai įkrautus sidabro jonus sidabro sulfide nukreipia link sidabro katodo sluoksnio, kur jie sumažėja iki metalinio sidabro. Atominiai sidabro siūlai auga, galiausiai uždarydami tarpą tarp metalinio sidabro pusių. Jungiklis įjungtas ir srovė gali tekėti. Srovės pakeitimas turi priešingą efektą: sidabriniai tiltai yra sutrumpinti, o jungiklis išjungtas.
Tačiau netrukus po to, kai buvo sukurtas jungiklis, Aono grupė pradėjo stebėti neįprastą elgesį. Kuo dažniau buvo naudojamas jungiklis, tuo lengviau jį įjungti. Jei jis kurį laiką nebuvo naudojamas, jis pamažu išsijungė pats. Iš esmės jungiklis prisiminė savo istoriją. Aono ir jo kolegos taip pat nustatė, kad jungikliai atrodė sąveikaujantys tarpusavyje, pavyzdžiui, įjungus vieną jungiklį kartais net blokuojami ar išjungiami kiti netoliese esantys įrenginiai.
Dauguma „Aono“grupės atstovų norėjo sukurti šias keistas savybes už jungiklių. Bet Gimrzewskis ir Stigas (ką tik baigę daktaro laipsnį Gimrzewskio grupėje) prisiminė sinapses, perjungimus tarp nervų ląstelių žmogaus smegenyse, kurie taip pat keičia santykius su patirtimi ir sąveiką. Ir taip gimė idėja. „Mes galvojome, kodėl gi nepabandžius visa tai paversti struktūra, kuri primena žinduolių smegenų žievę, ir ją ištirti?“- sako Stigas.
Sukurti tokią sudėtingą struktūrą buvo tikrai sunku, tačiau Stigas ir Odrius Avicenis, ką tik įstoję į grupę kaip abiturientai, tam parengė protokolą. Supylę sidabro nitratą ant mažų varinių rutulių, jie gali augti mikroskopiškai plonais, susikertančiais sidabro laidais. Tada jie galėjo perpumpuoti sieros dujas per šį tinklelį, kad tarp sidabro laidų susidarytų sidabrinio sulfido sluoksnis, kaip ir originaliame „Aono“komandos atominiame jungiklyje.
Savęs organizuotas kritiškumas
Kai Gimzewski ir Stigas papasakojo kitiems apie savo projektą, niekas netikėjo, kad jis veiks. Kai kurie teigė, kad prietaisas rodys vieno tipo statinę veiklą ir įsitvirtins ant jos, - prisiminė Stigas. Kiti pasiūlė priešingai: „Jie sakė, kad jungiklis kaskaduosis, o visa konstrukcija tiesiog sudegs“, - sako Gimzewski.
Bet prietaisas neištirpo. Priešingai, kai Gimzewskis ir Stigas stebėjo jį per infraraudonųjų spindulių kamerą, įvesties srovė toliau keitė kelius, kuriais ji ėjo per įrenginį - tai įrodė, kad veikla tinkle nebuvo lokalizuota, o paskirstyta, kaip smegenyse.
Vieną 2010 m. Kritimo dieną, kai Avicenis ir jo kolega Henris Sillinas padidino įrenginio įėjimo įtampą, jie staiga pastebėjo, kad išėjimo įtampa pradėjo atsitiktinai svyruoti, tarsi vielinis tinklas atgytų. „Mes atsisėdome ir žiūrėjome į jį, buvome šokiruoti“, - sako Sillinas.
Jie spėjo atradę ką nors įdomaus. Kai Avicenis išanalizavo stebėjimo duomenis per kelias dienas, jis nustatė, kad tinklas trumpą laiką išlieka tame pačiame aktyvumo lygyje dažniau nei ilgą laiką. Vėliau jie nustatė, kad mažos veiklos sritys yra labiau paplitusios nei didelės.
„Man žandikaulis nukrito“, - sako Avicenis, nes tai buvo pirmas kartas, kai jie iš savo prietaiso sužinojo galios įstatymą. Galios dėsniai apibūdina matematinius ryšius, kuriuose vienas kintamasis kinta kaip kito galia. Jie taikomi sistemoms, kuriose didesni masteliai, ilgesni įvykiai yra retesni nei mažesni ir trumpesni, tačiau jie yra plačiai paplitę ir neatsitiktinai. 2002 m. Miręs danų fizikas Per Bacas pasiūlė galios įstatymus kaip visų rūšių sudėtingų dinaminių sistemų, galinčių organizuotis dideliais masteliais ir dideliais atstumais, požymį. Šis elgesys, pasak jo, rodo, kad sudėtinga sistema balansuoja ir funkcionuoja aukso viduryje tarp tvarkos ir chaoso, esant „kritiškumo“būsenai, o visos jos dalys sąveikauja ir jungiasi, kad būtų maksimaliai efektyvus.
Kaip numatė Buckas, žmogaus smegenyse buvo stebimas elgesio įstatymų leidimas: 2003 m. Dietmaras Plenzas, Nacionalinio sveikatos instituto neurofiziologas, pastebėjo, kad nervų ląstelių grupės suaktyvina kitas, o tai savo ruožtu suaktyvina kitas, dažnai sukeldamas sistemines suaktyvinimo kaskadas. Plenzas nustatė, kad šių kaskadų dydis atitiko galios paskirstymą, o smegenys iš tiesų veikė siekdamos kuo labiau išplėsti veiklą, nerizikuodamos prarasti jos plitimo kontrolės.
Tai, kad Kalifornijos universiteto prietaisas taip pat pademonstravo veikiantį galios įstatymą, yra labai svarbus, sako Plentzas. Nes iš to išplaukia, kad, kaip ir smegenyse, jis turi subtilų aktyvacijos ir slopinimo balansą, dėl kurio visos jo dalys veikia. Veikla neslopina rinkinio, bet ir nesustoja.
Vėliau Gimzewskis ir Stigas rado dar vieną sidabro tinklo ir smegenų panašumą: lygiai taip pat, kaip miegančio žmogaus smegenyse yra mažiau trumpų aktyvavimo kaskadų nei budinčiose smegenyse, trumpo aktyvavimo būsena sidabro tinkle tampa retesnė esant žemesnėms įvesties energijoms. Tam tikru būdu sumažinus prietaiso energijos sąnaudas, galima sukurti būseną, primenančią ramybės būseną žmogaus smegenyse.
Mokymasis ir skaičiavimas
Ir čia kyla klausimas: jei sidabro laidų tinklas turi smegenų savybes, ar jis gali išspręsti skaičiavimo problemas? Preliminarūs eksperimentai parodė, kad atsakymas yra „taip“, nors prietaisas, be abejo, net nėra nuotoliniu būdu palyginamas su įprastu kompiuteriu.
Pirma, nėra programinės įrangos. Tyrėjai naudojasi tuo, kad tinklas gali iškraipyti gaunamą signalą skirtingais būdais, atsižvelgiant į tai, kur matuojama išvestis. Tai galima naudoti balso ar vaizdo atpažinimui, nes prietaisas turi sugebėti išvalyti triukšmingą įvesties signalą.
Iš to taip pat išplaukia, kad prietaisą galima naudoti vadinamiesiems rezervuaro skaičiavimams. Kadangi viena įvestis iš principo gali generuoti daugybę milijonų skirtingų išėjimų (taigi rezervuaro), vartotojai gali pasirinkti arba derinti išėjimus, kad rezultatas būtų norimas įvesties apskaičiavimas. Pavyzdžiui, jei stimuliuojate įrenginį dviejose skirtingose vietose tuo pačiu metu, yra tikimybė, kad vienas iš milijonų skirtingų išėjimų parodys dviejų įėjimų sumą.
Iššūkis yra surasti teisingas išvadas ir jas iššifruoti bei išsiaiškinti, kaip geriausiai užkoduoti informaciją, kad tinklas ją suprastų. Tai gali būti padaryta mokant įrenginį: vykdant užduotį šimtus ar tūkstančius kartų, pirmiausia su vieno tipo įvestimi, po to su kitu ir palyginus, kuris išėjimas geriau susidoroja su užduotimi. „Mes neprogramuojame įrenginio, bet pasirenkame geriausią būdą, kaip užkoduoti informaciją, kad tinklo elgsena būtų naudinga ir įdomi“, - sako Gimrzewski.
Netrukus paskelbtame darbe mokslininkai paaiškins, kaip išmokė laidų tinklą atlikti paprastas logines operacijas. Neskelbtuose eksperimentuose jie mokė tinklą išspręsti paprastą atminties problemą, paprastai teikiamą žiurkėms („T-labirintą“). T-labirinto bandyme žiurkė apdovanojama, jei ji sukasi teisingai, reaguodama į šviesą. Tinklas, turintis savo mokymo versiją, gali teisingai pasirinkti 94% laiko.
Iki šiol šie rezultatai buvo tik daugiau nei principo įrodymas, sako Nugentas. „Mažoji žiurkė, priimanti sprendimą„ T-labirinte “, niekada nesiartina prie kažko, kas gali įvertinti jos sistemas“, - sako jis. Jis abejoja, ar per artimiausius kelerius metus įrenginį galima paversti naudingu lustu.
Tačiau jis pabrėžia, kad potencialas yra didžiulis. Nes tinklas, kaip ir smegenys, neatskiria apdorojimo ir atminties. Tradiciniai kompiuteriai turi perduoti informaciją iš skirtingų domenų, kuriuose tvarkomos šios dvi funkcijos. „Visa ši papildoma komunikacija kaupiasi, nes laidams reikia energijos“, - sako Nugentas. Jei imtumėtės tradicinių kompiuterių, jums tektų išjungti Prancūziją, kad būtų galima modeliuoti visas žmogaus smegenis tinkama skiriamąja geba. Jei tokie įrenginiai kaip „Sidabrinis tinklas“gali išspręsti tradiciniuose kompiuteriuose veikiančių mašinų mokymosi algoritmų efektyvumo problemas, jie gali sunaudoti milijardą kartų mažiau energijos. Ir tada reikalas mažas.
Mokslininkų išvados taip pat patvirtina nuostatą, kad esant tinkamoms aplinkybėms, intelektualiosios sistemos gali būti suformuotos savireguliacijos būdu be jokio jų kūrimo šablono ar proceso. Sidabrinis tinklas „spontaniškai atsirado“, - sako Toddas Hiltonas, buvęs DARPA vadovas, kuris projektą rėmė anksti.
Gimrzewskis mano, kad sidabrinių laidų ar panašių prietaisų tinklas gali būti geresnis nei tradiciniai kompiuteriai numatant sudėtingus procesus. Tradiciniai kompiuteriai modeliuoja pasaulį lygtimis, kurios dažnai tik apytiksliai apibūdina sudėtingus reiškinius. Atominio jungiklio neuromorfiniai tinklai suderina savo vidinį struktūrinį sudėtingumą su modeliuojamu reiškiniu. Jie taip pat tai daro greitai - tinklo būklė gali svyruoti iki kelių dešimčių tūkstančių pokyčių per sekundę greičiu. „Mes naudojame sudėtingą sistemą, kad suprastume sudėtingus reiškinius“, - sako Gimrzewski.
Anksčiau šiais metais Amerikos chemikų draugijos susitikime San Fransiske Gimzewski, Stigas ir jų kolegos pristatė eksperimento, kurio metu prietaisas tiekė pirmuosius trejus šešerių metų Los Andželo eismo duomenų rinkinio impulsų ciklus, rezultatus, rezultatus. pravažiuojančių automobilių per valandą. Po šimtų valandų treniruočių išėjimas pagaliau numatė statistinę duomenų rinkinio antrosios pusės tendenciją, ir gana gerai, net jei tai nebuvo parodyta įrenginiui.
Galbūt vieną dieną, anekdotai Gimrzewski, jis naudojasi tinklu numatydamas akcijų rinką.
Ilja Khel