Кошка станет суперкомпьютером

ТЕКСТ: Александра Борисова

ФОТО: Photodisc/East News

Разработано устройство, способное довести скорость и эффективность работы суперкомпьютеров до уровня мозга кошки. Достичь такого результата позволила разработка модуля, аналогичного синапсам, соединяющим нейроны нервной системы, и совмещающего в себе функции логики и памяти.

Создание компьютерной системы, которая могла бы распознавать изображения, запоминать их, анализировать так, как это делает человеческий мозг, может стать революцией в мире машин. Такое устройство могло бы стать «глазами» для слепого человека. Возможно, могло бы решать и более сложные задачи, а также выполнять одновременно куда больше операций, чем обычные компьютеры. Пока подобные рассуждения вызывают в памяти только детскую книгу о мальчике-роботе Электронике. Но так ли это нереально, как кажется?

Ученые университета Мичигана решили смоделировать сложную компьютерную систему, взяв за базу мозг домашней кошки.

Мозг кошки может распознать лицо быстрее и детальнее, чем суперкомпьютер, – это стало одной из причин, по которой мозг пушистого хищника был выбран в качестве модели. Работа, посвященная созданию «разумной машины», опубликована в Nano Letters.

Автор работы Вэй Лю создал так называемый «мемристор» (от англ. memory – память) – устройство, которое заменяет в компьютере традиционный транзистор и работает как биологические синапсы, сохраняя данные о последних электрических сигналах, прошедших через него. Кроме того, удалось показать, что такой мемристор может соединять обычные электрические цепи и поддерживать процесс, который скорее всего является основой памяти и обучения в биологических системах. Хотя точно природа памяти (то есть образования следов памяти) неясна, ученые предполагают, что она связана с изменением электрических свойств нейронов, а также с синаптической передачей электрических сигналов. В мозге млекопитающих нейроны (структурные единицы нервной системы) связаны друг с другом синаптическими сочленениями, которые работают как ключи в электрических цепях. Включаясь и выключаясь в разной последовательности, они могут менять граф связи тысяч нейронов. Кроме того, синапсы запоминают единожды созданный путь, сохраняя данные о силе и длительности электрического сигнала, генерированного нейронами.

«Мы создаем наш принципиально новый компьютер тем же путем, которым воспользовалась природа для создания мозга.

Основная «изюминка» работы – полное изменение парадигмы устройства по сравнению с обычными компьютерами. Мозг кошки был выбран потому, что он проще человеческого, поэтому его моделирование является весьма реалистичной целью. В то же время основные закономерности его функционирования сходны с человеческими и устройство его весьма сложно с точки зрения воспроизведения. Мы надеемся воссоздать все способности – как широкий спектр решаемых задач, так и эффективность, высокую скорость протекания процессов», – объяснил Лю.

Современные сложные суперкомьютеры могут выполнять ряд задач, функционально доступных мозгу кошки. Однако на такое способны лишь гигантские машины, состоящие из более 140 тысяч процессоров. Кроме того, несмотря на такие размеры, это устройство работает в 83 раза медленнее, чем миниатюрное содержимое пушистой кошачьей головы.

В обычном компьютере нет аналогов синапсов – бифункциональных единиц, совмещающих функции логики и памяти.

Модули, выполняющие эти функции, расположены в разных частях электрической цепи, и каждая из единиц связана лишь с ограниченным числом единиц-соседей. В результате такие машины выполняют задачу лишь линейно, участок за участком, по очереди. Эта модель прекрасно работала для исполнения относительно простых команд с ограниченным числом переменных, однако сейчас ее использование становится все более и более неэффективным.

Именно поэтому ученые обращаются за новыми идеями к модели, по которой организован мозг живых организмов. Он организован по принципиально иной схеме и способен выполнять множество операций одновременно или параллельно. Именно поэтому мы распознаем черты лица мгновенно, обрабатывая сразу много поступающих со зрительного аппарата данных, а даже громадному суперкомпьютеру для этого требуется на порядки больше времени и, что немаловажно, энергии.

Для того чтобы преодолеть эту трудность, Лю разработал мемристор, особенным образом замыкающий электрические цепи. Эта система способна и «думать» и «запоминать» так, как это происходит в человеческом мозге. Автор назвал процесс «spike timing dependent plasticity» (острая временно-зависимая гибкость). Этот тип гибкости опирается на особенную способность связей между нейронами: они могут становиться сильнее в зависимости от того, сколь длительное время по ним проходил электрический сигнал.

«Мы показали, что можно использовать длительность электрического сигнала для постепенного уменьшения или увеличения проводимости системы, основанной на мемристорах. В нашем мозгу сходные изменения в проводимости синапсов провоцируют возникновение долгосрочной памяти», – отметил Лю.