Vědci se již léta snaží vytvořit umělé synapse v naději, že se jim podaří přiblížit se výpočetnímu výkonu lidského mozku. Novým přístupem se nyní podařilo navrhnout synapse, které jsou tisíckrát menší a desettisíckrát rychlejší než jejich biologické protějšky.

Navzdory rychlému rozvoji hlubokého učení v posledním desetiletí se tento přístup k umělé inteligenci inspirovaný mozkem potýká s problémem, že běží na hardwaru, který se skutečnému mozku podobá jen pramálo. Lidský mozek vážící pouhé tři kilogramy dokáže zvládnout nové úkoly během několika sekund při použití stejného množství energie jako žárovka, zatímco trénink komplexních neuronových sítí trvá týdny, vyžaduje megawatthodiny elektřiny a výkonný výpočetní hardware.

Neuromorfní procesory jako odpověď na potřeby AI?

To vysvětluje snahy o přepracování hardwaru, na kterém umělá inteligence běží. Představa je taková, že sestrojením počítačových čipů, jejichž komponenty se chovají více jako přirozené neurony a synapse, bychom se mohli přiblížit extrémní prostorové a energetické účinnosti lidského mozku. Naděje spočívá v tom, že tyto takzvané „neuromorfní“ procesory by mohly být mnohem vhodnější pro provoz umělé inteligence než dnešní počítačové čipy.

Vědci z MIT nyní ukázali, že neobvyklá konstrukce umělých synapsí, která napodobuje závislost mozku na přesunu iontů, by mohla skutečně výrazně překonat ty biologické. Klíčovým průlomem bylo nalezení materiálu, který snáší extrémní elektrická pole, což výrazně zlepšilo rychlost, s jakou se ionty mohou pohybovat.

„Rychlost byla rozhodně překvapivá,“ uvedl Murat Onen, vedoucí výzkumu, ve zveřejněné tiskové zprávě. „Normálně bychom taková extrémní pole napříč zařízeními nepoužívali, abychom je neproměnili v popel. Ale místo toho se protony [které jsou ekvivalentem vodíkových iontů] nakonec pohybovaly obrovskou rychlostí, konkrétně milionkrát rychleji ve srovnání s tím, co jsme měli k dispozici předtím.“

Analogové počítání může nahradit složité logické operace

Přestože existuje celá řada přístupů k neuromorfnímu inženýrství, jedním z nejslibnějších je analogové počítání. Ten se snaží navrhnout komponenty, které mohou využívat vnitřní fyziku ke zpracování informací, což je mnohem efektivnější a přímější než provádění složitých logických operací, jak to dělají běžné čipy.

Dosud se mnoho výzkumů zaměřovalo na konstrukci memristorů – elektronických součástek, které řídí tok proudu na základě toho, kolik náboje předtím zařízením proteklo. To napodobuje způsob, jakým se zvyšuje nebo snižuje síla spojení mezi biologickými neurony v závislosti na frekvenci, s níž komunikují, což znamená, že tato zařízení by v zásadě mohla být použita k vytváření sítí s podobnými vlastnostmi jako biologické neuronové sítě.

V novém článku v časopise Science však výzkumníci z MIT tvrdí, že komponenty optimalizované pro dlouhodobé ukládání informací jsou ve skutečnosti nevhodné pro provádění pravidelných přechodů mezi stavy, které jsou nutné pro neustálé ladění síly spojení v umělé neuronové síti. Je to proto, že fyzikální vlastnosti, které zajišťují dlouhou dobu uchování, se obvykle neslučují s vlastnostmi, které umožňují vysokorychlostní přepínání.

Proto vědci místo toho navrhli součástku, jejíž vodivost je regulována vkládáním nebo odebíráním protonů do kanálu z fosfor-silikátového skla (PSG). Do jisté míry tak napodobují chování biologických synapsí, které využívají ionty k přenosu signálů přes mezeru mezi dvěma neurony.

Tím však podobnost končí. Zařízení má dva terminály, které jsou v podstatě vstupem a výstupem synapse. Třetí terminál slouží k aplikaci elektrického pole, které stimuluje protony k přesunu ze zásobníku do kanálu PSG nebo naopak v závislosti na směru elektrického pole. Více protonů v kanálu zvyšuje jeho odpor.

Výzkumníci přišli s tímto obecným návrhem již v roce 2020, ale jejich dřívější zařízení používalo materiály, které nebyly kompatibilní s procesy návrhu čipů. Důležitější však je, že přechod na PSG výrazně zvýšil rychlost přepínání jejich zařízení. To proto, že nano póry v jeho struktuře umožňují protonům velmi rychlý pohyb materiálem a také proto, že vydrží velmi silné pulzy elektrického pole, aniž by došlo k jejich degradaci.

Silnější elektrická pole poskytují protonům obrovské zrychlení a jsou klíčem ke schopnosti zařízení překonat biologické synapse. V mozku musí být elektrická pole relativně slabá, protože cokoli nad 1,23 V způsobuje, že se voda, která tvoří většinu buněk, štěpí na plynný vodík a kyslík.

Slibný směr a řada výzev před námi

Naproti tomu zařízení týmu MIT je schopno pracovat s napětím až 10 V v impulsech dlouhých 5 nanosekund. Díky tomu může umělá synapse pracovat 10 000krát rychleji než její biologické protějšky. Kromě toho mají tato zařízení průměr pouhých nanometrů, takže jsou 1000krát menší než biologické synapse.

Odborníci sdělili časopisu New Scientist, že uspořádání zařízení se třemi terminály, na rozdíl od dvou, které se vyskytují u většiny modelů neuronů, by mohlo ztížit provoz některých druhů neuronových sítí. Problémy při rozšiřování technologie představuje také skutečnost, že protony musí být zaváděny pomocí plynného vodíku.

Od jednotlivých umělých synapsí k velkým sítím, které jsou schopny provádět seriózní zpracování informací, ještě povede dlouhá cesta. Výjimečná rychlost a malé rozměry komponent však naznačují, že se jedná o slibný směr při hledání nového hardwaru, který by se svými parametry mohl přiblížit lidskému mozku.

Zdroje: 1, 2, 3