Sztuczny mózg zamiast klasycznego komputera? Tak może wyglądać przyszłość – twierdzą naukowcy z Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie, którzy prowadzą interdyscyplinarne badania nad technologiami inspirowanymi naturą. Pracują nad udoskonaleniem memrystorów, które stanowią sztuczny odpowiednik synaps.
Współczesne komputery składają się z procesora (ang. CPU) i pamięci, pomiędzy którymi przenoszone są dane. Jest to układ oparty na architekturze von Neumanna – wybitnego węgierskiego matematyka i logika żydowskiego pochodzenia, który stworzył teoretyczne podstawy nauk obliczeniowych. Dzięki rozgraniczeniu wspomnianych urządzeń komputer może służyć do wykonywania różnych operacji, w zależności od załadowanego programu. Jednak stosowane rozwiązanie ma również jedną fundamentalną wadę: szerokość pasma informacji transportowanych między tymi jednostkami jest ograniczona, wskutek czego CPU stoi bezczynnie zanim otrzyma dane. Co gorsza, ich przepustowość pozostaje wciąż na podobnym poziomie, mimo że ciągle wzrasta szybkość procesorów i wielkość pamięci.
Ten problem nazywany jest wąskim gardłem von Neumanna (ang. von Neumann bottleneck). Co ciekawe, na ten kłopot nie są narażone mózgi, które także można pojmować jako maszyny liczące. Wszystko to dzięki komórkom łączącym zarazem funkcje pamięci oraz procesora. Badania sieci nerwowych wykazały, że wynalezione przez ewolucję synapsy potrafią jednocześnie przechowywać informacje i je przetwarzać. Dzieje się tak dlatego, gdyż zapamiętują one przepływ elektronów, a zatem dysponują pamięcią lokalną, która nie opiera się na logice binarnej, ale logice rozmytej lub wielowartościowej. Powstaje więc pytanie, jak skopiować ten sprytny patent natury w środowisku sztucznym i stworzyć komputer nowej generacji, który będzie mógł działać w warunkach domowych.
W naszym mózgu trudno w ogóle proces przetwarzania i zapamiętywania odseparować. Komputer nowej generacji miałby przypominać w funkcjonowaniu układ nerwowy, byśmy pozbyli się wąskiego gardła von Neumanna i nie musieli bez przerwy przesyłać informacji pomiędzy procesorem a pamięcią, co pochłania znaczną część energii urządzenia. Gdyby tranzystory potrafiły owe dane na moment przechować, nie byłoby z tym problemu. Inną pożądaną cechą technologii komputerowej może być również wzorowany na mózgu brak synchronizacji, który pozwala na wykonywanie równoległych działań. Za sprawą tego, że układ nerwowy nie ma zegara wewnętrznego, jego elementy mogą do pewnego stopnia działać od siebie niezależnie – opowiada zainspirowany naturą prof. Konrad Szaciłowski.
Sztuczne odpowiedniki synaps
Nadzieją na kolejny wielki postęp w technologii komputerowej jest tzw. memrystor (ang. memory – pamięć, resistor – opornik), który można nazwać sztucznym odpowiednikiem synapsy. Jest to – obok rezystora, kondensatora czy cewki – czwarty podstawowy bierny element elektroniczny, wyróżniający się m.in. tym, że może być wykorzystywany w celu przechowywania informacji. Jego oporność bowiem wzrasta, gdy elektrony przepływają w jednym kierunku, natomiast maleje, kiedy płyną one w kierunku przeciwnym. Co więcej, każdy memrystor pamięta swój stan nawet po wyłączeniu zasilania, zachowując ostatnią oporność w sytuacji braku napięcia. Czyni go to doskonałym kandydatem na komponent, z jakiego można w przyszłości zbudować sieć, która będzie odwzorowywać pracę mózgu.
Memrystor to nieliniowy element elektroniczny spełniający charakterystyczne równanie. Ma on właściwości podobne do synapsy w układzie nerwowym, dlatego często nazywa się go sztuczną synapsą. Można na nim bowiem wymusić pewien prymitywny rodzaj pamięci – będzie on mianowicie pamiętał, czy przepłynął przez niego impuls elektryczny, czy nie. Natomiast sztucznym neuronem nazywana jest często komórka elektrochemiczna, która generuje impulsy elektryczne pod wpływem światła. Chodzi nam teraz o to, by połączyć te dwa różne elementy w celu stworzenia całkowicie syntetycznego układu, który będzie przetwarzał dane w sposób analogiczny do tego, jak zachodzi to wewnątrz naturalnego układu nerwowego – tłumaczy potencjalne zastosowanie urządzenia kierownik projektu.
Teoretyczne istnienie memrystora przewidział w latach siedemdziesiątych XX w. amerykański naukowiec Leon Chua – doktor honoris causa AGH, którego uważa się powszechnie za wizjonera w dziedzinie elektroniki. Rezystor z pamięcią nie budził początkowo wielkiego zainteresowania i postrzegano go jedynie jako ciekawostkę. Zmieniło się to na przełomie wieków, kiedy dostrzeżono w nim potencjalnego kandydata na sztuczną synapsę. Dzięki pamięci lokalnej memrystory są w stanie odwzorowywać funkcjonowanie mózgu, którego poszczególne synapsy potrafią działać równolegle, co usuwa zatem konieczność wymiany danych pomiędzy pamięcią główną oraz CPU, która ogranicza komputery. Szkopuł jednak w tym, że zbudowanie takiego urządzenia nie jest tak proste, jakby się mogło wydawać.
Skomplikowane zmagania z syntetyczną inteligencją
Konstrukcja memrystora stanowi do dzisiaj nie lada wyzwanie dla inżynierów. Wszystko przez to, że materiały potrzebne do jego wytworzenia wykazują bardzo dużą wrażliwość na środowisko i warunki zewnętrzne. Konieczne są wobec tego innowacyjne rozwiązania, których poszukują naukowcy z całego świata. W prace włączyli się również inżynierowie z AGH, prowadzący intensywne badania nad materiałami memrystywnymi. Wykorzystując specjalistyczną wiedzę z pogranicza fizyki, chemii oraz inżynierii materiałowej, badacze z ACMiN AGH próbują zbudować rezystor z pamięcią, który będzie potrafił działać w warunkach domowych. W ramach projektu finansowanego z grantu uczelnianego konstruują w tym celu układy złożone z nanocząstek i czułych na światło materiałów post-perowskitowych.
Memrystory oparte o perowskity są badane od 6–8 lat. W tym konkretnym przypadku chodzi o tzw. perowskity ołowiowe, czyli związki kompleksowe zawierające ołów, jod oraz kation organiczny. Te związki charakteryzują się dobrym przewodnictwem elektrycznym i są stosowane powszechnie w ogniwach fotowoltaicznych. Zbudowane z nich memrystory mają jednak jedną podstawową wadę: są niesamowicie wrażliwe na powietrze czy wilgoć. Dlatego poszukujemy zupełnie nowych materiałów, które będą mieć takie właściwości jak perowskity, a więc będą wykazywały tzw. memrystancję, natomiast jednocześnie nie będą tak wrażliwe na czynniki środowiskowe. Potrzebne nam bowiem takie memrystory, które będzie można kiedyś produkować na większą skalę – omawia cel badań prof. Szaciłowski.
Na ten moment inżynierowie z AGH próbują skonstruować taki rezystor z pamięcią, który będzie potrafił funkcjonować stabilnie w warunkach laboratoryjnych tak, by w przyszłości każdy student mógł na nim przeprowadzić proste eksperymenty. Gdy naukowcom uda się takie pojedyncze komponenty opracować, wówczas można przystąpić do budowy sieci neuronowych, które będą przykładowo wykonywać konkretne zadania. Taki układ byłby materialnym odpowiednikiem układu nerwowego, który imitowałby działanie synaps oraz neuronów. Mówiąc bowiem o sztucznych sieciach neuronowych, często ma się na uwadze cyfrowy model mózgu, z kolei w tym wypadku chodzi bardziej o syntetyczną inteligencję, która mogłaby być wykorzystywana do budowy sprzętu komputerowego.
To, co staramy się zbudować w laboratorium, to nawet nie sztuczne sieci neuronowe, a syntetyczne sieci neuronowe, gdyż one jak najbardziej istnieją fizycznie. To nie software, który nie ma rzeczywistej reprezentacji, natomiast elementy, które mają bardzo podobne właściwości do neuronów. Na tej podstawie planujemy w przyszłości stworzyć sieci, które nie będą jedynie symulacją cyfrową, a następnie dać im problemy do rozwiązania. Innymi słowy, chcemy zrobić wiaderko galarety, z którą będziemy mogli zagrać w szachy. Tutaj udało nam się wykorzystać tę strukturę perowskitową zarazem jako neuron i synapsę. Na poziomie pojedynczego elementu połączyliśmy więc przetwarzanie informacji z pamięcią, czyli niejako pokonaliśmy wąskie gardło von Neumanna – przekonuje kierownik projektu.
Projekt został sfinansowany z grantu uczelnianego w ramach programu Inicjatywa Doskonałości – Uczelnia Badawcza.
źródło: AGH