Нейроморфные процессоры: как техника учится думать как человек

Подумайте, как это работает у нас: свет, запах, звук — органы чувств преобразуют этот хаос внешнего мира в аккуратные электрические сигналы. Дальше — настоящее чудо: сигнал мчится через лабиринт из миллиардов нейронов, связанных триллионами синапсов. Способность этих синапсов меняться (это и есть обучение) в сочетании с невообразимой плотностью «проводки» позволяет мозгу молниеносно разбираться в сложнейших данных и выдавать реакцию. Попробуй повтори такое на кремнии!

Именно эту задачу — имитацию передачи и обучения сигналов — и берут на себя нейроморфные компьютерные системы. По идее, они должны быть похожи на биологические нейронные сети. Но давайте признаем честно: современные технологии все еще безнадежно отстают от природы в плане плотности и эффективности. Наши творения пока что громоздкие и прожорливые карго-культы разума.

Вычисления из «резервуара»: когда лень — двигатель прогресса

Один из самых изящных подходов к улучшению нейроморфных систем — это так называемые резервуарные вычисления. Их философия проста: зачем учить всю систему, если можно подготовить «умную» среду — резервуар? Входные данные отображаются в это многомерное пространство, которое само не обучается, но здорово их преобразует. А дальше с предобработанными сигналами легко справляется упрощенная нейросеть. Результат — колоссальная экономия ресурсов и времени. Гениальная лень, не правда ли?

Ирония в том, что лучший пример такого резервуара у нас прямо перед глазами. В буквальном смысле. Наше зрение: сотни миллионов фоторецепторов сетчатки не просто фиксируют картинку, а проводят сложнейшую предварительную обработку, сжимая информацию до компактных электрических сигналов для зрительной коры. Мозгу остается лишь интерпретировать готовенькое. Представляете, какой объем данных ему не приходится грузить в «оперативку»?

Современные компьютеры, конечно, умеют имитировать такой резервуар, работая с оцифрованными сигналами. Но настоящая революция грядет только тогда, когда резервуар начнет работать с аналоговыми сигналами физического мира — так, как это делает живой глаз. И вот тут-то начинается самое интересное.

Фононы, магноны и чип размером с пылинку

Именно к такой революционной грани подошла международная команда исследователей с их новой концепцией.

Они предложили создать резервуар на основе смеси акустических волн (фононов) и спиновых волн (магнонов). Всё это упаковано на крошечный чип размером 25x100x1 микрон — настоящая песчинка в мире вычислений. Конструкция чипа хитроумна: это многомодовый акустический волновод, покрытый узорчатой магнитной пленкой тоньше паутины.

Информация подается на чип ультракороткими лазерными импульсами. Внутри этой микросхемы-лабиринта она превращается в распространяющийся волновой пакет, где танцуют фононы с магнонами. Короткая длина волн позволяет упаковать невероятно много данных на крошечной площади. Настолько крошечной, что система способна распознавать визуальные формы, нарисованные лазером, на площади меньше одного пикселя современного датчика! Это уже не вычисления, это почти магия.

Профессор Сергей Савельев, соавтор работы, проводит прямую параллель с мозгом: «Функциональность нашего резервуара основана на интерференции и смешении волн. И знаете, это поразительно похоже на механизмы обработки информации в биологической коре, которые недавно были описаны». Получается, мы не просто копируем природу, а начинаем понимать ее язык.

Доктор Алексей Щербаков, руководивший проектом, смотрит в будущее еще смелее: «Наша концепция очень перспективна, потому что преобразует сигнал в высокочастотные акустические волны — так же, как это делается в вашем смартфоне. Кто знает, может, через несколько лет телефон не только покажет вам картинку, но и поможет принять по-настоящему человечное, взвешенное решение». Звучит как фантастика, но ведь все великие технологии с нее и начинали, не так ли?