Rychlejší než mozek. Tvůrci počítačů budoucnosti hledají inspiraci v přírodě

- Technologie autor: Ladislav Loukota

Pojem umělé inteligence je většinou skloňován v souvislosti s počítačovým softwarem. Nově vyvíjená nápodoba mozkové synapse však slibuje k inteligentnímu učení dokopat i samotnou architekturu hardwaru. Seznamte se s memristory, respektive s novým způsobem, jak počítače využívají paměť.

Impulsy mezi jednotlivými neurony jsou základem komunikace uvnitř našeho mozku

Impulsy mezi jednotlivými neurony jsou základem komunikace uvnitř našeho mozku,zdroj: Profimedia.cz

Mnoho výzkumů z biomimetiky, oboru inspirujícího se pro technická řešení ve světě přírody, již bylo překováno do praktických aplikací v informatice. Jedním z příkladů je software rozeznávající tváře na Facebooku a slyšet jste mohli také o bujících neuronových sítích, které simulují procesy v mozku pro vývoj různých typů umělé inteligence. 

Podobné programy jsou ale výpočetně velmi náročné a hlad po rychlejších strojích proto stále roste. Pokud by však i počítače samy svou konstrukcí vsadily na biomimetické postupy, strojové učení by bylo možné významně urychlit.

Umělé synapse

Právě na to vsadil tým Vincenta Garcii ze společné laboratoře francouzského Národního výzkumného centra (CNRS) a společnosti Thales, když vyvinuli obvod s architekturou stavějící na umělé synapsi. V našich mozcích jsou synapsemi myšlena spojení dvou mozkových buněk neboli neuronů, které dohromady vytvářejí "pavučinu", z níž se sestává veškerá mozková aktivita.

Ačkoliv máme obvykle tendenci klást důraz spíše na počet neuronů, jsou to ve skutečnosti především synapse a vzájemná konektivita, co se v mozkové funkci počítá. Čím více jsou přitom synapse stimulované, tím více je spojení posíleno a učení zlepšeno. Tento poslední mechanismus stál za vzor synapsím umělým.

Garciův tým kvůli tomu sáhl po takzvaném memristoru. Jde o malou elektronickou komponentu, jejíž odpor, podobně jako u neuronů, závisí na množství protékajícího elektrického náboje. Je-li odpor nízký, synaptické spojení je silné. Naopak pokud se odpor zvýší, spojení zeslábne.

Díky schopnosti se přizpůsobit je tato umělá synapse rovněž schopna učit se stejnou technikou jako přírodní sítě neuronů.

Memristory samotné nejsou zase takovou technickou novinkou. Poprvé byly popsány již v 70. letech, dlouho se o nich mluvilo jako o potenciálním revolučním nápadu pro zrychlení často používaných počítačových procesů. Disky využívající memristorů by totiž teoreticky díky naučení se častějších operací mohly být mnohem rychlejší. Trvalo však dlouho, než byly pro vývoj memristoru nalezeny vhodné materiály. Komerčně dostupné aplikace tak přišly teprve před několika lety a vědci teprve pomalu zjišťují, jak jejich aplikování nutno vypilovat.

Jde to i opačně

Garcia vytvořil synapse z nanostruktur známých jako ferroelectric tunnel junctions (FTJs), volně přeložitelné jako feroelektrické tunelové obvody. FTJs se sestávají z ultra tenkého feroelektrického filmu vloženého mezi dvě malé elektrody. Vědcům se přitom podařilo vyladit pole vzniklých umělých synapsí do té míry, že systém umí samostatně rozpoznávat vzorce předvídatelným způsobem.

Jinými slovy, Garciovo nastavení FTJs otevírá cestu počítačům, jejichž paměti budou fungovat podobným autonomním způsobem jako mozek. Uživatele potěší vyšší rychlostí, vědce zase možností navýšit kapacitu stále hladovějších neuronových sítí. Architektura komerčních memristorů zítřka však bude již na ramenou jiných odborníků.

Memristory však nejsou jediným způsobem, jakým lze přírodní principy aplikovat pro svět informatiky. Přesně opačným způsobem loni zaujal svět Oshiorenoya Agabi, když jeho startupová firma Koniku vytvořila počítačové obvody sestavené ze skutečných (zvířecích) neuronů.

Mozkové buňky jsou v něm uzavřeny do nanoschránek regulujících jejich teploty, vlhkost a výživu, a převádějící impulzy na vnější povrch, kde jsou předávány do schránek jiných. Opět tak vzniká analog synapse, dle filozofie Koniku jsou však čipy sestavené z neuronů potenciálně výhodnější pro specializované aplikace emulující lidskou činnost – například čich nebo řízení vozidel. Stačily by prý k tomu sítě s pouhými desítkami či stovkami neuronů, které by dovolily miniaturizaci specializovaných počítačů. Klíčovější než spojování neuronů je však jejich programování, které bude ještě vyžadovat nějaký čas. Pokrok s ukládáním dat do DNA ale ukazuje, že transfer digitální informace do živé hmoty je v jistém ohledu možný.

Koniku je v tomto oboru prozatím více méně komerčně jedináčkem, jeho teze se tak mohou ještě ukázat býti lichými. Stejně tak i Garciovy umělé synapse jsou ještě notně vzdálené od komerčního nasazení. Je však znát, že biomimetika stále více inspiruje nejenom programátory umělých inteligencí, ale i konstruktéry hardwaru jako takového. Výsledek jejich činnosti dnes může působit exoticky, pro někoho snad až děsivě – nejde však nakonec o nijak prazvláštnější experimentování, než jaké před půlstoletím co do prvních programů a mikročipů vedlo k vývoji prvních počítačů, na jejichž potomcích jste četli i tyto řádky. 

Tagy: mozek umělá inteligence neurony informační technologie inovace a technologie

Zdroje: vlastní