Skynet уже близко? Успокойтесь, это всего лишь… российские учёные и нейроморфные системы

Готовы к будущему, где компьютеры умнее людей? Нравится нам это или нет, но эра нейроморфных систем почти наступила. Разбираемся, что это за системы такие и чего от них ждать.

Если сравнивать наш мозг с компьютером, то до недавнего времени компьютеры проигрывали по всем параметрам. Наш мозг — это сверхэффективная вычислительная машина, которая учится на ходу, адаптируется и работает с минимальными затратами энергии, только вместо плат и процессоров — нейроны и синапсы, которые взаимодействуют на молниеносных скоростях.

Сегодня учёные в лабораториях пытаются создавать искусственные нейроны и нейросети «на железе». Что же за технологии там разрабатываются и чем они так круты?

Что такое нейроморфные системы?

Для начала давайте разберёмся, что такое нейроморфные системы и зачем они вообще нужны. Если проще: это такие компы, которые работают не как привычные нам ПК или ноутбуки, а подражают работе мозга. Если обычный компьютер просто считает 0 и 1, то нейроморфный способен думать, как наш мозг — параллельно, с кучей входов и выходов.

Если ещё проще, то обычный компьютер — это такой супер калькулятор, а нейроморфный — это уже мозг терминатора.

Один из ключевых элементов таких систем — это искусственные нейроны. Их создание — дело сложное, но крайне перспективное, потому что позволяет перейти от привычных нам программируемых компьютеров к чему-то более автономному и интуитивному.

Такие технологии могут использоваться, например, в роботах или беспилотниках, где важно быстро принимать решения без огромных затрат энергии.

Железные нейросети

И вот в России уже созданы первые прототипы таких нейронов и даже целых нейросетей. Давайте сначала заглянем в лаборатории Нижегородского государственного университета имени Н.И. Лобачевского (ННГУ).

Здесь физики предложили дизайн нейроморфного процессора, который работает на сверхпроводниках. Эти самые сверхпроводники могут проводить электричество практически без сопротивления. Только проблема в том, что для этого нужна очень низкая температура, почти как в космосе.

Поэтому и предлагают использовать такие системы, например, на спутниках или космических станциях. Да и такая нейросеть на сверхпроводниках будет быстрее и экономичнее обычных, которые работают на привычных нам полупроводниках.

Ещё одно преимущество нижегородской разработки: она может работать как в классическом режиме (как обычный комп), так и в квантовом. Значит, что такие системы могут обрабатывать огромные массивы данных в мгновение ока.

Прототип сверхпроводникового нейрона — базового элемента данной нейросети — мы подробно исследовали в 2022 году. Недавно он был изготовлен в Институте физики твёрдого тела РАН, получены его первые экспериментальные характеристики. Наше новое исследование нацелено на масштабирование разработки.

Пока что это всё существует только на уровне прототипов, но результаты уже впечатляют. Исследователи говорят, что их системы могут быть изготовлены «в железе» совсем скоро.

Искусственные нейроны

В подмосковном Долгопрудном учёные из Московского физико-технического института (МФТИ) работают над созданием искусственных нейронов, но подход у них отличается.

В МФТИ разрабатывают нейристоры — это такие элементы, которые имитируют работу нервных клеток нашего мозга. Уже сейчас они умеют создавать мемристоры, которые работают как синапсы, то есть передают импульсы между нейронами.

Но чтобы собрать полноценный искусственный мозг, нужны не только синапсы, но и сами нейроны. Так что ключевая цель — создать нейристор, который будет работать как настоящая нервная клетка.

Когда мемристоры и нейристоры соединятся, получится чип, способный обрабатывать самые сложные нейросетевые алгоритмы на физическом уровне. Только представьте, как это прокачает производительность!

Что особенно круто, эти чипы смогут работать в автономных устройствах, таких как роботы или дроны — в медицине или на производстве технология точно найдёт себе применение.

Давайте пофантазируем, что будет если поставить нейроморфные чипы на протезы: их сенсорные данные будут обрабатываться гораздо естественнее, почти как информация от наших органов чувств, следовательно управление такими и искусственными органами станет точнее, а обратная связь от них полнее.

Чтобы сделать искусственный нейрон, нужно понимать, как он работает в нашем мозге: у него есть множество входов, дендритов, и один выход, аксон, через который передаётся электрический импульс следующему нейрону.

Нервная клетка принимает множество импульсов от соседей, и когда их количество превышает определённый порог, нейрон «выстреливает» сигнал дальше.

И воссоздать этот процесс искусственно — задача непростая. Нужно будет реализовать три ключевых элемента: ёмкость (аналог мембраны нейрона, где накапливается заряд), механизм порогового срабатывания при определённом напряжении и механизм утечки заряда, если этот порог не пройден.

Нам интересно реализовать переменную ёмкость, чтобы можно было имитировать участки мозга, где она различается. Это даст нам разные режимы работы нейронов.

Для первых экспериментов исследователи использовали простые детали — даже советские газоразрядные лампы пошли в ход.

Сейчас у команды уже есть прототипы порогового переключателя и ёмкости. Дальше дело за компактным и масштабируемым нейристором, который сможет перенести нас в новую эру вычислительной техники.

Приятное дополнение: в разработке используют отечественные материалы и технологии (надеемся, что не только советские лампы).

Почему это важно?

Почему же все так озабочены созданием искусственных нейронов и нейросетей? Дело в том, что сейчас нейросети гоняют свои алгоритмы через мощные компьютеры, которые пожирают кучу энергии. А вот нейроморфные системы могут предложить нечто большее: они могут учиться, адаптироваться и принимать решения, как это делает человеческий мозг, и при этом потреблять намного меньше энергии.

Это значит, что в будущем мы сможем создавать автономные устройства, которые не нужно будет постоянно подзаряжать и программировать.

Возможно, уже в ближайшие годы мы увидим первые устройства на основе нейроморфных систем, которые будут значительно умнее и быстрее современных компьютеров, а это сможет многое изменить в самых разных областях: от искусственного интеллекта и робототехники до медицины и космических технологий.

Так что, остаётся только следить за новостями и ждать, когда этот «мозг на железе» станет реальностью.

И кто знает, может, через несколько лет мы все будем пользоваться компьютерами, которые действительно понимают, о чём мы думаем.