Искусственный синапс на воде и соли — реальность. Шаг к нейроморфным вычислениям

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com
| Рассуждения | Оффтопик

Человеческий мозг — это вершина эволюции, загадочный лабиринт из нейронов и синапсов, способный на невероятные вычисления и творчество. Мы разгадали тайны космоса, создали искусственный интеллект, но до сих пор не можем полностью понять, как работает эта трехфунтовая масса, заключенная в черепной коробке. Ученые, стремясь разгадать секреты мозга и создать более эффективные компьютеры, обратили внимание на саму природу этой биологической машины. И что же они обнаружили? Возможно, ключ к революции в компьютерных технологиях лежит в воде и соли — тех самых веществах, что составляют основу нашего мышления.

Художественное видение нейроморфного процессора
Автор: Designer

Традиционные компьютеры, работающие на основе кремниевых чипов и двоичного кода, достигли своего предела. Энергопотребление растет, а эффективность падает. В поисках выхода ученые обратились к нейроморфным вычислениям — области, которая стремится создать компьютеры, работающие по принципам мозга. Но вместо того, чтобы копировать структуру нейронных сетей, исследователи из Утрехтского университета и университета Соган пошли другим путем. Они решили использовать саму среду, в которой функционирует наш мозг — воду и растворенные в ней соли.

И им это удалось! В лаборатории родился искусственный синапс — крошечное устройство, имитирующее поведение связей между нейронами. Вместо электронов, бегущих по проводам, здесь движутся ионы — заряженные частицы, переносящие информацию. Изменяя концентрацию ионов, ученые добились эффекта, аналогичного усилению или ослаблению синаптических связей, что лежит в основе обучения и памяти.

(А) Схема (слева) и фотографии (справа) устройства. Канал соединяет два резервуара с водным электролитом KCl и включает в себя жесткую коллоидную структуру, образуя сеть наноканалов между коллоидами. (B) Кривая I—V вв. установившемся режиме, наблюдаемая в экспериментах (синий) и предсказанная нашей теорией (красный), демонстрирующая сходное свойство выпрямления тока. (C) Динамическая I-V-кривая в ответ на синусоидальное напряжение на канале (вверху, зеленый). Теория (внизу, красный) и эксперименты (внизу, синий) демонстрируют схожую петлю гистерезиса с защемлением. (D) Упрощенная схема передачи синаптического сигнала. Потенциал действия вызывает высвобождение нейромедиатора (не показан) из пресинаптического нейрона (оранжевый), который связывается с рецепторами постсинаптического нейрона (желтый), потенциально вызывая транспорт ионов и изменяя его мембранный потенциал. Динамическая проводимость канала аналогична синаптической силе. (E) Измерения тока (синий) при подаче четырех последовательных импульсов 5 В и пяти импульсов считывания (зеленый). (F) Особенности кратковременной пластичности (STP), наблюдаемые в канале (синий) и предсказанные теорией, где мы показываем полное (численное) решение для(красный, пунктир) и измерения, которым это соответствовало бы в эксперименте (красный, точки). Четыре последовательных импульса напряжения с меньше, чем время сохранения памяти канала приводит к облегчению (вверху) и угнетению (в середине) для импульсов и, соответственно. Кратковременная характеристика хорошо видна, когда но в этом случае кумулятивного изменения проводимости не наблюдается (внизу).
Автор: Tim M. Kamsma and Jaehyun Kim and Kyungjun Kim and Willem Q. Boon and Cristian Spitoni and Jungyul Park and René van Roij. Brain-inspired computing with fluidic iontronic nanochannels. Proceedings of the National Academy of Sciences. doi:10.1073/pnas.2320242121 CC-BY 4.0 Источник: www.pnas.org

Это открытие переворачивает наше представление о том, как может выглядеть компьютер будущего. Вместо громоздких серверов и перегретых процессоров — миниатюрные устройства, работающие на воде и соли. Вместо огромного энергопотребления — экологичная и эффективная технология. Вместо жесткой логики двоичного кода — гибкость и адаптивность живого мозга.

(A) Теоретическое предсказание (вверху) и экспериментальное наблюдение (внизу) относительного изменения проводимости в ответ наразличных возможных битовых строк, где «0» и «1» соответствуют импульсами, соответственно. Три отдельных устройства использовались для определения среднего значения проводимости и типичного изменения в ответ на каждую уникальную последовательность напряжений. (B) Изображение того, как цифра «2» может быть преобразована в пять различных битовых строк (другие цифры изображены в Приложении СИ). (C) Схема того, как число 2 из (B) преобразуется в 5 цепочек напряжения, давая 5 значений проводимости после четвертого (последнего) импульса. Проводимости и переменные из (A) были использованы для обучения однослойной полностью связаннойнейронной сети in silico, которая преобразует проводимости в классификацию числа 2. (D) Девять примеров рукописных цифр из базы данных MNIST, где (первоначальнопиксельные изображения обрезаны допиксельных изображений, шкалы серого округляются до белых или черных пикселей, а затем изображение сегментируется на 110 битовых строк. (E) Функция потерь (средние квадратичные потери) во время обучения за один раунд обучения, когда экспериментально обнаруженный шум, который экспериментально количественно определяется с помощью переменных (от устройства к устройству), найденных в нашем результате в (A), устройств не учитывается (оранжевый) и когда он учитывается (синий). (F) Матрица путаницы на тестовом наборе из 2 000 образцов, демонстрирующая общую точность 81 %, что сопоставимо с недавно полученными результатами на более традиционных платформах.
Автор: Tim M. Kamsma and Jaehyun Kim and Kyungjun Kim and Willem Q. Boon and Cristian Spitoni and Jungyul Park and René van Roij. Brain-inspired computing with fluidic iontronic nanochannels. Proceedings of the National Academy of Sciences. doi:10.1073/pnas.2320242121 CC-BY 4.0 Источник: www.pnas.org

Конечно, до создания полноценного «мозга из воды и соли» еще далеко. Необходимо решить множество технических задач, разработать новые материалы и алгоритмы. Но первый шаг сделан, и он открывает перед нами захватывающие перспективы. Компьютеры будущего смогут не только обрабатывать информацию, но и учиться, адаптироваться, творить. Они будут ближе к человеку, чем когда-либо прежде.

Возможно, именно вода и соль, эти простые и доступные вещества, станут основой для нового технологического скачка. Скачка, который позволит нам не только понять тайны человеческого мозга, но и создать искусственный интеллект, не уступающий, а может быть, и превосходящий нас по своим возможностям. А пока ученые продолжают свои исследования, мы можем только гадать, какие еще удивительные открытия ждут нас на этом пути.

Насколько реалистично создание полноценного компьютера на основе воды и соли?

Несмотря на успешное создание искусственного синапса, необходимо решить множество технических проблем, таких как масштабирование технологии, обеспечение стабильности и надежности работы, разработка алгоритмов для обработки информации.

Сможет ли такой компьютер испытывать эмоции или сознание?

Вопрос о сознании является одним из самых сложных и дискуссионных в философии и науке. Пока что нет единого мнения о том, что такое сознание и как оно возникает. Невозможно предсказать, смогут ли нейроморфные компьютеры обладать сознанием или испытывать эмоции.

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Обзор Sendy Audio Apollo: открытые планарные наушники для продвинутого меломана

Бренд Sendy Audio является одним из дочерних подразделений всем вам хорошо известной компании Sivga, имя которой уже несколько лет буквально не сходит с языков у ценителей качественных...

Иллюзия бесконечности: ученые сомневаются в форме Вселенной

Взгляните на ночное небо. Миллиарды звезд, разбросанные по темному полотну, кажутся бесконечными. Но так ли это на самом деле? А что, если Вселенная вовсе не безгранична, а замкнута сама на...

Роторная или сеточная электробритва: какая лучше

Бритье — это больше, чем просто ежедневный ритуал для многих мужчин. Это момент, когда можно привести себя в порядок и подготовиться к новому дню. И когда дело доходит до выбора...

Самые необычные и странные правила дорожного движения в мире

Обычно базовые правила дорожного движения практически во всех странах одинаковые, однако, культурные отличая, традиции и привычки жителей из разных стран, могут вносить интересные особенности в...

Миллионер отказался от своего состояния, чтобы доказать, что любой может разбогатеть, но у него не получилось

В интернете можно найти огромное количество роликов и книг на тему того, что заработать огромные деньги может каждый. Нужно только правильно приложить усилия. Для подтверждения этой теории один...

Что делать, если вас заблокировал другой водитель на парковке?

Блокировка автомобиля на парковке становится все более распространенной проблемой в крупных городах, где места для парковки ограничены. Владельцы автомобилей часто сталкиваются с ситуацией, когда...