Кажется, что искусственный интеллект превосходит человека во многих областях, но одним из аспектов, в котором человеческий мозг превосходит его, является потребление энергии. Для сложных вычислений человеческому мозгу требуется мощность в 20 Вт, тогда как суперкомпьютеру для сопоставимой задачи требуется примерно в миллион раз больше энергии. Этот компьютер работает на 20 мегаваттах. Нельзя ли было сделать лучше, давно задавались вопросом исследователи? Разве мы не можем разработать аппаратное обеспечение, которое больше похоже на человеческий биологический мозг?
Один из них — Кристиан Найхуис, который проводит в TU Twente исследования так называемых молекулярных переключателей. Его команда недавно добилась прорыва, описанного в отраслевом журнале. Природные материалы. Пришло время заглянуть в лабораторию Нейхуиса, где он работает над дизайном и измерением новых молекул.
Нейхуис называет себя «архитектором на молекулярном уровне». Он рисует молекулы, и если они кажутся достаточно интересными, химики могут сделать такую молекулу. Это называется синтезировать. «Теперь мы нашли молекулу, которая может имитировать функцию синапса», — объясняет Нейхуис. Мозг состоит примерно из ста миллиардов нейронов, каждый из которых связан с тысячами других нейронов. Синапсы — это офицеры связи: каждый сигнал в мозгу проходит через синапсы. Из них примерно от ста до двухсот триллионов, или 1 с четырнадцатью нулями.
Для Нейхуиса интересное в этих синапсах не столько невообразимое количество, сколько их эффективность. Вот почему синапс является отличным источником вдохновения при разработке новых компьютеров. И это крайне необходимо: «Обработка постоянно растущих потоков данных выходит из-под контроля. Центры обработки данных поглощают энергию, и эта цифра будет только увеличиваться». Найхуис упоминает известный пример ИИ: распознать кота на фото. В наши дни ИИ довольно хорош в этом, но для обучения моделей и последующего прогнозирования «это кошка?» требуется огромное количество вычислительных мощностей. будет осуществляться.
Нейхуис: «Наш мозг справляется с этим намного лучше. Они используют энергию только тогда, когда информационный импульс проходит через синапс, а это значит, что они могут обрабатывать много данных одновременно». И не только это, они также гибки и динамичны: «Синапсы действуют как переключатели, но особенность в том, что они могут постоянно меняться. Итак, вам нужно молекулярное оборудование, обладающее такими же динамическими свойствами». Компьютер, который, как и человеческий мозг, каждый раз, когда узнает что-то новое, устанавливает новые связи, усиливает или ослабляет существующие, как раз то, что нужно.
Тщательный процесс производства и измерения
Это моделирование одного синапса теперь было достигнуто. Первый шаг был сделан два года назад с появлением молекулярного выключателя. И теперь есть переключатель, который также учится на прошлом. Нейхейс говорит с огнем: «Это было фантастически, когда мы увидели, что наши молекулы ведут себя так, как мы надеялись».
Этому радостному моменту предшествовал тщательный процесс изготовления и измерения. На золотую пластину наносится очень тонкий слой толщиной ровно в одну молекулу, после чего они снова отделяются друг от друга. Nijhuis разрабатывает микроканалы, сплавы, моно- и оксидные слои и стабильные электроды. Монтер: Вот и все, очень простой метод изготовления. В лаборатории студент показывает скользкий монослой с электродами с обеих сторон. Он использует мультиметр, чтобы продемонстрировать, что молекулярный слой действительно проводит ток.
Подвал лаборатории устроен как безвибрационная клетка Фарадея, где поведение молекул можно измерить с помощью специального оборудования. Одна молекула открывает двери целому семейству новых молекул и материалов, надеется Нейхуис. И в конце концов к искусственной нейронной сети, в которой искусственные синапсы уже не обрабатывают бинарные потоки информации (с нулями и единицами), а работают аналогичным образом.
«Это беспрецедентно»
До этого еще далеко, признает Нейхуис. Так же считает и Йохан Ментинк, который проводит похожее исследование в Университете Радбауд. Ментинк, не участвовавший в исследованиях Нейхуиса, называет открытие TU Twente научным прорывом: «Им удалось создать синапс на молекулярном уровне. Это беспрецедентно».
Сам Ментинк работает, среди прочего, над оптомагнитными синапсами, которые переключаются на основе света. Большим преимуществом этого является то, что они намного экономичнее. Важным недостатком является то, что они не являются органическими и поэтому менее пригодны для медицинского применения.
И именно в этом последнем направлении мыслит Найхуис со своим органическим изобретением, в дополнение ко всем приложениям, где нет большого количества доступной энергии, например, в беспилотных автомобилях или дронах. Было бы здорово, если бы тело могло использовать сверхмощный и экономичный компьютер из мягких материалов вместо твердых кремниевых чипов, мечтает вслух Нейхуис.
В качестве примера он упоминает имплантат, который помещается в зрительную кору и может обрабатывать информацию, поступающую от глаз, как помощь слепым. С имплантами уже ведутся тщательные эксперименты, но это грубые твердые чипы с (в данном конкретном примере) ограниченными результатами: слепой человек видит изображение всего в несколько десятков пикселей.
Найхейс надеется, что вскоре появятся и другие полезные, но менее впечатляющие приложения, такие как устройства, которые могут вводить инсулин в зависимости от режима питания и поведения пациента с диабетом.
Не бегите прямо сейчас в магазин товаров для здоровья, предупреждает Нейхуис: «Потребуются годы и годы фундаментальных исследований, прежде чем мы будем готовы к практическому применению».
