Ludzki mózg zużywa zaledwie 20 W energii – tyle, co żarówka LED i potrafi nie tylko utrzymać organizm przy życiu, czy sterować ruchami ciała, ale także tworzyć poezję, żartować, wymyślać wynalazki, planować i improwizować. Niektórzy żartują tymczasem, że do serwerów sztucznej inteligencji, kolejne procesory trzeba dorzucać koparkami. Jest w tym żarcie wiele prawdy, bo wielkoskalowe sztuczne sieci neuronowe wymagają ogromnych zasobów sprzętowych, a przy tym – energetycznych. Trudno byłoby to ograniczenie obejść z pomocą typowych układów scalonych, które tylko wirtualnie symulują komórki nerwowe. Pomóc może inne, coraz intensywniej rozwijane podejście – fizyczne, syntetyczne neurony, które mają pracować podobnie, jak te w mózgu. Przyspieszenie AI to niejedyne ich potencjalne zastosowanie.
Czytaj też: Nadlatują roje dronów. Co mogą drony i dlaczego tak dużo?
Biologia w elektronice
Eksperci z University of Massachusetts Amherst przedstawili właśnie sztuczny neuron, w którym wykorzystali elementy biologii – jedną z głównych części urządzenia są włókna zbudowane z białek produkowanych przez bakterię – Geobacter sulfurreducens. To mikrob, który potrafi produkować prąd elektryczny.
– Poprzednie wersje sztucznych neuronów używały dziesięciokrotnie wyższego napięcia i potrzebowały stukrotnie większej mocy, niż ten, który teraz stworzyliśmy – podkreśla prof. Jun Yao, autor wynalazku. –Nasze neurony reagują zaledwie na 0,1 wolta, czyli mniej więcej tyle, co neurony w ludzkim ciele – wyjaśnia.
Nieco podobnym tropem poszła grupa z USC Viterbi School of Engineerig. Naukowcy, w opracowanym przez siebie syntetycznym neuronie zasymulowali niektóre bioelektryczne procesy, które zachodzą w żywych komórkach. Podczas gdy w żywej komórce nerwowej jony sodu i potasu generują sygnał, przemieszczając się przez błonę komórkową, to w sztucznym neuronie jony srebra przemieszczają się przez syntetyczną warstwę.
– Chociaż w naszych sztucznych synapsach i neuronach nie występują dokładnie te same jony, fizyka rządząca ich ruchem i dynamiką jest bardzo podobna – zwraca uwagę kierujący pracami prof. Joshua Yang.
Takie podejście pozwoliło uzyskać ogromne korzyści.
– Projektujemy elementy, które ostatecznie pozwolą nam zmniejszyć rozmiar układu scalonego o rzędy wielkości oraz o rzędy wielkości ograniczyć zużycie energii. Dzięki temu, w przyszłości można będzie prowadzić obliczenia sztucznej inteligencji w sposób zrównoważony, z podobnym poziomem inteligencji, ale bez pochłaniania ilości energii, której nie jesteśmy w stanie zapewnić – badacz tłumaczy, jakie korzyści przyniosą sztuczne neurony.
Czytaj też: AI pochłania energię, ale może też pomoc w jej oszczędzaniu
Laserowy mózg
Naukowcy z Chinese University of Hong Kong opracowali z kolei sztuczny neuron który, jak zapewniają, przetwarza sygnały miliard razy szybciej od żywych neuronów. Neuron działa w oparciu o wykorzystanie tzw. kropek kwantowych i światła laserowego.
– Nasz laserowy neuron o stopniowanej odpowiedzi przezwycięża ograniczenia prędkości obecnych fotonicznych wersji neuronów impulsowych i ma potencjał do jeszcze szybszego działania – mówi kierujący zespołem Chaoran Huang.
Na bazie swojego wynalazku badacze stworzyli już pierwsze inteligentne systemy, które wykazały wyjątkową skuteczność w tzw. obliczeniach rezerwuarowych – typowych dla zadań AI, takich jak rozpoznawanie wzorców i przewidywanie sekwencji.
Czytaj też: Czytanie mózgu staje się codziennością — neurotechnologia: zysk i zagrożenie?
Sztuczne neurony z plastiku
Grupa badaczy z Uniwersytetu w Linköping stworzyła natomiast syntetyczny neuron, w którym typowy dla układów elektronicznych krzem zamienili, można powiedzieć, plastikiem. Materiał ma jednak specjalne właściwości. Wykorzystany polimer przewodzi zarówno jony, jak i elektrony. Ten pierwszy rodzaj cząstek pracuje w naturalnych sieciach nerwowych, a drugi to podstawa elektroniki.
Badacze liczą, że dzięki takiemu połączeniu ich systemy będzie można kiedyś łatwo łączyć z żywą tkanką nerwową. Naukowcy twierdzą, że mimo prostszej budowy od wielu innych naśladujących komórki nerwowe konstrukcji, system jest wyjątkowo uniwersalny i naśladuje aż 17 funkcji typowych dla prawdziwych neuronów. Ponadto kluczowe są jego właściwości fizyczne. Rzecz w tym, że jest elastyczny, co jeszcze bardziej ułatwi łączenie z żywym organizmem.
– To jeden z najprostszych, a zarazem najbardziej zbliżonych biologicznie sztucznych neuronów, jakie dotąd stworzono. Otwiera on drogę do bezpośredniej integracji neuronów syntetycznych z żywą tkanką lub miękkimi robotami – tłumaczy prof. Simone Fabiano, twórca urządzenia. – Możemy sobie wyobrazić wykorzystanie tych urządzeń do nadania zmysłu dotyku protezom lub robotom. Pokazują one, że elektronika organiczna nie jest jedynie miękką alternatywą dla krzemu, lecz może umożliwić nowy rodzaj obliczeń neuronalnych, łączących biologię z elektroniką – podkreśla naukowiec.
Czytaj też: Czy sztuczna inteligencja dorówna ludziom? – HomoDigital – Subiektywnie o technologii.
Nadprzewodnik przyspieszy AI – tak powstają sztuczne neurony!
Inny potencjalny przełom pokazali niedawno naukowcy z Yokohama National University. Otóż skonstruowali sztuczne neurony nadprzewodzące. Oznacza to, że mogą one mieć ultraniskie, bliskie zeru straty energii.
Badacze wykorzystali nadprzewodzące obwody, w których nośnikiem sygnału jest kwant strumienia magnetycznego. Jak wyjaśniają, strumień magnetyczny opisuje całkowite pole magnetyczne przechodzące przez daną powierzchnię, natomiast kwant strumienia magnetycznego stanowi jego podstawową jednostkę w nadprzewodniku. Podkreślają, że zastosowana metoda pozwala uzyskać urządzenie neuronowe o idealnych właściwościach wejścia-wyjścia.
– Nasze urządzenie neuronowe wykazuje idealne właściwości wejścia-wyjścia i rozwiązuje problem zmienności parametrów podczas łączenia neuronów. W konsekwencji może pomóc w sprzętowej realizacji dużych sieci neuronowych opartych na obwodach nadprzewodzących, co umożliwi działanie z pracę ultrawysoką prędkością i przy bardzo niskim poborze mocy – mówi twórca wynalazku, prof. Yuki Yamanashi.
W niedalekiej przyszłości zespół ma nadzieję stworzyć całą, dużą nadprzewodzącą sieć neuronową i zademonstrować jej zdolność do uczenia się.
Czytaj też: AI ma pierwszego Nobla. Hinton, Hopfield nagrodzeni
Sztuczne neurony – czy to przyszłość nauki i sztucznej inteligencji?
Nowe pokolenia sztucznych neuronów mogą więc całkowicie odmienić sposób, w jaki działają komputery i systemy sztucznej inteligencji. Rozwijane podejścia dążą do połączenia biologicznej efektywności z technologiczną mocą obliczeniową. Dla użytkowników może to nawet oznaczać dostęp do komputerów osobistych o nieporównanie większej szybkości działania, przy niedużym zużyciu energii. Dla środowiska badania te oznaczają szansę na ograniczenie emisji wynikających z ogromnego zapotrzebowania centrów danych. W dłuższej perspektywie syntetyczne neurony mogą też znaleźć zastosowanie w medycynie i robotyce, umożliwiając tworzenie protez czy maszyn, które „czują” i reagują jak żywe organizmy.
Autor grafiki: Google DeepMind
0 komentarzy
