Nově sestavený světelný čip napodobuje chování mozkových synapsí

TLDR verze: Čip, v němž namísto elektronů s informacemi létají fotony, může skrze různou vlnovou délku světla a různé optické vlastnosti matroše čipu získat stejného pamatováka, jako neurony v mozku. Germáni tak vyrobili prototyp toho, z čeho jednou můžou být neuromorfní počítače (studie tu).

Inspirováno vaším mozkem

Jak potvrdí každý, kdo se někdy potýkal se zásekem výpočetní techniky (takže každý), dnešní počítače mají k dokonalosti poměrně daleko. Co ale v případě záseku dělat? Jediné, co pomáhá, je pořídit více RAMek anebo pomalý stroj rozbít na padrť těžkým kladivem. Tím se, pravda, sice nezrychlí, ale uživateli se alespoň uleví…

Vědátoři pod bičem Johannese Feldmanna z University of Münster nyní výhledově nabízejí třetí možnost: neuromorfní architekturu inspirovanou mozkem.

Co to jsou ty neuromorfní počítače? O neuromorfních čipech jsem psal už několikrát dříve. Loni byl třeba zprovozněn neuromorfní počítač SpiNNaker (video o něm vespod). Zjednodušeně lze říct, že design podobných udělátek v nějaké míře imituje chování mozku, a tak jistou měrou zefektivňuje výpočty. SpiNNaker například provádí paralelní výpočty, podobně jako totéž umí váš mozek. Díky tomu nemusíte během každého přemýšlení nad zápletkou Hry o trůny zastavit dýchání a jiné sekundární funkce, aby se dostalo výpočetní kapacity pro to opravdu potřebné!


V případě počítačů třeba veselé gify toho, co s našimi nervy počítače dovedou!

Jiné neuromorfní počítače a čipy se naopak inspirují u synapsí, především u toho, jak si synapse mezi neurony dovedou „pamatovat“, jestli jsou častěji používané nebo méně často. Což v našich hlavách vede k „učení“. Takže když třeba hodně často kácíme stromy, učíme se číst nebo se snažíme prožít traumatizující okamžik, po čase nám to jde mnohem lépe a rychleji! Stroje něco takového zatím neumí, respektive existuje jistá snaha dát jim paměť po softwarové stránce (neuronové sítě), ale méně po té hardwarové.

Feldmannův tým nyní přispěl svou troškou do mlýna právě k vývoji fotonických čipů, jejichž obvody by měly podobného pamatováka! Se svými kolegy totiž vyrobil čip obsahující síť umělých neuronů, které operují na světelné bázi a mohou napodobovat chování neuronů i synapsí. Podařilo se jim rovněž demonstrovat, že jejich optická neurosynaptická síť dovede disponovat „pamětí“ a „učením se“. Tedy stejně jako mozek!

Ilustrace čipu přímo od autorů – pro čtenářovo chápáni raději ve tvaru mozku!
Stroj: Johannes Feldmann

„No jo, ale rozjedu na tom Crysis?“

Princip čipu spočívá na integraci světelných signálů a nanostruktur z látkově přeměnitelných materiálů (phase-chance materials, PCM). Matroš čipu dle svého aktuálního stavu mění optické vlastnosti paprsku, přičemž paradoxně právě paprsek může změnu vlastností matroše spustit. Vlnový multiplex, tedy technika přenosu více optických signálů (každý o jiné vlnové délce) v jediném paprsku, se pak stará o odlišení toho, co matrošem projde, a co ne.

Ve finále tak vznikl čip se 4 analogy neuronů a 60 synapsemi, který se dovede sám učit efektivnost těch či oněch datových cestiček. K čemu nám vlastně bude dobré, že to budou počítače umět? Dnešní mašiny mají mnohdy záseky často právě kvůli tomu, že mají oddělené paměťové a procesorové jednotky (to porno, které spolu s „viry“ (fskutečnosti malware) stahujete, za zpomalování samozřejmě vůbec nemůže!).

Jinými slovy, zpracování a ukládání informací neprobíhá na stejném místě. Neuromorfní počítače jim však plánuje bydliště sjednotit! A co více, ačkoliv existuje i neuromorfní elektronika, neuromorfní fotonika slibuje být ze své podstaty ještě rychlejší. Světlo pádí totiž mnohem rychleji než elektron v polovodiči.

Autoři se sice chlubí tím, že by technologie byla jako stvořená třeba pro rozeznávání rakovinových buněk, to ale jenom dávají občansky apelativní variantu rozeznávání obrazu. Neuromorfní informatika by nám skutečně mohla přinést takové malé, kapesní AI zcela nezávislé na cloudových dopočtech. Což je důvod, proč jednoduché AI aplikace, třeba převod hlasu na text, nemůžete dnes dělat offline. Protože vlastně čipy samy budou mít… vlastní rozum.

Pravdou je, že optické počítače mají vlastní porci problémů. Třeba to, že jsou paradoxně při komunikaci s elektronikou až příliš rychlé. I na tom se ale pracuje. Dva roky nazpět se podařilo zpomalit světelný signál skrze jeho dočasnou konverzi na akustické vlny a nazpět. Tím obvod získal lag potřebný pro potenciální zpracování dat.

Stroj: Fallout 3/Bethesda

Neuromorfní počítače budoucností – ale kdy?

Není to ani poprvé, co píšu fotonických počítačích, ani o samostatně se učících nápadech, které můžou vést v neuromorfní počítače – a v e-shopu si je furt koupit nemůžeme. Je ale třeba si uvědomit, že tým kombinuje dvě doposud spíše odlišné profese (fotonika a neuromorfní architektura) do jedné! Zajímavým nápadům tohoto i jiného druhu bude chvíli trvat, než dozrají…

Feldmannův čip je tak tradičním mírným pokrokem v mezích zákona, jehož aplikovanou stránku nejspíše uvidíme nejdříve v roce 2040, po milionu jiných studií, které techniku dostanou dále. Na druhou stranu, dokud podobný čip neoznámí IBM nebo Nvidia, nelze asi čekat, že parta vědců z Münsteru s tím přijde sama. Věda bádá. Ale aplikace jejích objevů musí páchat někdo jiný.

Svět výpočetní techniky každopádně může zase o něco klidně spát. Mooreův „zákon“ má totiž v neuromorfní fotonice zase další oporu. Ne snad, že by se zhušťovaly tranzistory, ale sám skok v rychlosti může být hustej zcela ekvivalentně! My se tak (velmi výhledově) snad můžeme těšit na budoucnost, v níž budou počítače zase o něco rychlejší. A pokud jim výrobci do vínku dají i odolnost vůči malware – nebo alespoň kladivům – bude to skutečná ITopie!

[LL]

Vědátor vzniká v dílně spolku studentů a popularizátorů vědy UP Crowd za podpory MUDRstart, který tvoří přípravné testy pro studenty vysokých škol – podpořte i vy drobákem mojí snahu informovat o vědě věčně & vtipně a přispějte mi v kampani na Patreonu.

A sledujte mojí snahu případně i na Facebooku či YouTube!

Diskuze