Tego typu pytanie wraca szczególnie mocno przy technologiach inspirowanych mózgiem, choć nie dlatego, że natura jest magiczna i zawsze lepsza od inżynierii. Chodzi raczej o irytujący kontrast. Mózg człowieka potrafi uczyć się, rozpoznawać obrazy, ignorować szum, łączyć wspomnienia z bodźcami i robi to przy budżecie energetycznym rzędu około 20 watów, podczas gdy współczesne centrum danych staje się aktualnie osobnym problemem energetycznym naszej cywilizacji. Właśnie na tym tle nowa sztuczna synapsa sterowana wyłącznie światłem wygląda dla mnie jak jedno z tych małych, laboratoryjnych osiągnięć, które nie są jeszcze produktem, ale bardzo wyraźnie pokazują potencjalny kierunek rewolucji.
Komputery wciąż marnują energię na przerzucanie danych
Współczesna sztuczna inteligencja działa imponująco, ale architektonicznie często przypomina bardzo sprawną fabrykę z fatalnie ustawionymi magazynami. Dane leżą w pamięci, obliczenia odbywają się gdzie indziej, a cały system bez końca przesyła informacje między jednym blokiem a drugim. Kosztuje to czas, energię i generuje ciepło. Gdyby tego było mało, im większe są modele, tym wyraźniej widać, że sam wzrost mocy obliczeniowej nie rozwiązuje problemu, tylko przesuwa go na poziom infrastruktury.
Czytaj też: Nowe wentylatory komputerowe przeczą logice, ale za to właśnie je pokochacie
Dlatego od dawna interesują mnie podejścia, które próbują zerwać z klasycznym rozdzieleniem pamięci i obliczeń. Właśnie na tym polega sens komputerów neuromorficznych. Nie chodzi w nich o “udawanie mózgu” dla samego efektu, ale o przeniesienie części logiki biologicznych synaps do sprzętu. Synapsa w mózgu nie jest tylko przewodem. Jej “siła” zmienia się pod wpływem wcześniejszej aktywności, a więc przeszłość wpływa na przyszłą reakcję układu. To brzmi jak pamięć, ale jednocześnie jest częścią samego przetwarzania informacji.
Podobny kierunek opisywałem już przy fotonicznym chipie do sztucznej inteligencji, gdzie stało się nośnikiem obliczeń. Tam chodziło o mikroskopijne akceleratory fotonicznej sieci neuronowej, a tutaj mówimy o czymś innym, ale sam problem pozostaje wspólny. Sprowadza się do tego, że elektronika zaczyna płacić zbyt wysoką cenę za przesuwanie danych, a fotonika kusi równoległością, małym opóźnieniem i niższym narzutem cieplnym.
Sztuczna synapsa, która nie potrzebuje elektrycznego pośrednika
Nowy układ opisany w “Advanced Photonics” jest ciekawy przede wszystkim dlatego, że nie traktuje światła jako wejścia, które po chwili i tak trzeba zamienić na sygnał elektryczny. Jest to w pełni optyczna sztuczna synapsa. Informację odbiera światłem, swój stan zmienia światłem i światłem daje odpowiedź. W świecie komputerów to nie jest drobna kosmetyka, tylko próba usunięcia całego etapu konwersji, który zwykle dokłada straty, szum i opóźnienia.
Sercem rozwiązania jest kryształ domieszkowany pierwiastkami ziem rzadkich, należący do materiałów o długotrwałej poświacie. Po oświetleniu taki materiał nie gaśnie natychmiast. Część nośników ładunku oddaje energię od razu, emitując światło, ale część zostaje uwięziona w tak zwanych stanach pułapkowych i uwalnia się dopiero później. Tego typu cecha, która na poziomie intuicji kojarzy się z zabawkami świecącymi w ciemności, tutaj została potraktowana jako mechanizm pamięci.
Najważniejsze jest to, że reakcja kryształu zależy od historii oświetlenia. Jeżeli wcześniej dostał impuls światła, jego kolejne zachowanie nie jest już identyczne jak za pierwszym razem. Pułapki nośników są częściowo wypełnione albo opróżnione, a to wpływa na odpowiedź na następny impuls. Dla klasycznego układu cyfrowego brzmi to jak kłopotliwa nieliniowość. Dla sprzętu neuromorficznego jest to dokładnie ta cecha, której się szuka.
Ultrafiolet wzmacnia sygnał, podczerwień go osłabia
W badaniach naukowcy zaprezentowali dwa zachowania przypominające plastyczność krótkoterminową znaną z biologicznych synaps. Przy świetle ultrafioletowym układ wykazuje tak zwaną facylitację par impulsów. W praktyce oznacza to, że drugi impuls daje silniejszą odpowiedź, jeśli pojawia się krótko po pierwszym. Poprzednie wzbudzenie częściowo zmienia stan pułapek, przez co kolejna porcja energii łatwiej przekłada się na natychmiastową emisję światła.
Czytaj też: Superkomputer bez klasycznego kultu GPU. Wepchnęli się tam, gdzie gigantów zaboli
Przy świetle bliskiej podczerwieni dzieje się coś przeciwnego. Pierwszy impuls opróżnia uwięzione nośniki, więc drugi daje słabszą odpowiedź. Jest to depresja par impulsów, czyli zachowanie hamujące. W jednym materiale da się więc uzyskać zarówno wzmacnianie, jak i tłumienie sygnału, zależnie od rodzaju oświetlenia. Dla mnie właśnie tutaj zaczyna się najciekawsza część tej historii, bo percepcja nie polega wyłącznie na wzmacnianiu ważnych bodźców. Równie istotne jest ignorowanie śmieci.
Badacze nie poprzestali na obserwacji “ładnej poświaty”. Opracowali model opisujący powstawanie, uwięzienie i uwalnianie nośników w czasie, a wyniki eksperymentów dobrze pasowały do przewidywań. Pozwala to odróżnić faktyczną historię stanu materiału od banalnego efektu powolnego wygaszania luminescencji. Innymi słowy, ten kryształ nie tylko świeci po czasie. On reaguje inaczej w zależności od tego, co wcześniej “zobaczył”.
Kamera, która czyści obraz zanim odda go procesorowi
Najbardziej praktyczna część pracy dotyczy prototypu neuromorficznej kamery. Materiał został bowiem połączony ze standardowym krzemowym sensorem obrazu, aby przetwarzanie zaczynało się już na etapie rejestrowania światła. Silniejsze sygnały optyczne utrzymują się dłużej, słabsze zakłócenia szybciej znikają, a więc warstwa światłoczuła może podbić kontrast i ograniczyć szum, zanim klasyczny procesor w ogóle dostanie obraz do analizy.
Tego typu podejście jest dużo ciekawsze niż dokładanie kolejnego algorytmu odszumiającego po fakcie. Dziś często zachowujemy się tak, jakby kamera miała wyłącznie zebrać surowe dane, a cała “inteligencja” zaczynała się dopiero później. Neuromorficzne czujniki próbują przesunąć część tej pracy bliżej fizycznego świata. Wspominałem o tym przy systemach wizyjnych inspirowanych mózgiem, gdzie kluczowe staje się nie tylko rozpoznanie sceny, ale też skrócenie drogi od bodźca do decyzji.
W testach model sieci neuronowej oparty na zmierzonym zachowaniu tej optycznej synapsy osiągnął 95,99 procent skuteczności przy rozpoznawaniu odręcznych cyfr po odszumianiu. Bez wbudowanej redukcji szumu wynik spadał do około 78 procent.
Przyszłość może być mniej “komputerowa”, niż sobie wyobrażaliśmy
Patrzę na tę pracę nie jak na zapowiedź komputera z kryształów, który za chwilę stanie na biurku, ale jak na kolejny dowód, że przyszłość obliczeń zaczyna wymykać się klasycznemu językowi pecetów. Raz mówimy o fotonice, raz o układach neuromorficznych, raz o atomach jako czujnikach, a raz o materiałach, które same wykonują część pracy dzięki swoim właściwościom fizycznym. Przy atomowych sensorach radiowych widać podobne przesunięcie, bo w tej wizji elektronika nie znika, ale coraz częściej schodzi z pierwszego planu, bo sam materiał albo układ fizyczny zaczyna robić coś, co wcześniej wymagało bardziej złożonego toru przetwarzania.
Czytaj też: Atomy zamiast anteny. Udowodnię Ci, że to nie komputer kwantowy może zmienić świat jako pierwszy
Przez lata przyszłość komputerów wyobrażaliśmy sobie jako coraz szybsze wersje tego, co już znamy. Więcej tranzystorów, więcej rdzeni, większe centra danych i jeszcze wydajniejsze pokłady pamięci. Tymczasem coraz więcej badań sugeruje, że część obliczeń może przenieść się do samego sposobu, w jaki materiał reaguje na bodziec. Nie “najpierw zbierz dane, potem przelicz”, lecz “przetwarzaj w chwili kontaktu ze światem”.
Oczywiście między prototypem a produktem jest przepaść. Trzeba poprawić szybkość, stabilność, skalowanie, powtarzalność produkcji i integrację z istniejącą elektroniką. Trzeba też odpowiedzieć na pytanie, czy takie warstwy optyczne będą działały przewidywalnie poza kontrolowanymi warunkami laboratoryjnymi. Mimo to trudno przejść obok tego obojętnie, bo sama idea jest bardzo obiecująca. Światło bowiem nie tylko niesie informację, ale też zostawia po sobie ślad, który może wpływać na kolejne decyzje układu.
Jeśli jednak komputery przyszłości mają być bardziej energooszczędne i bliższe sposobowi działania zmysłów, to nie wystarczy przyspieszać starej architektury. Trzeba pozwolić, żeby pamięć, czucie i obliczenia spotkały się w jednym miejscu. Ten świecący kryształ jest małym krokiem w tym kierunku.
Źródła: SPIE , Advanced Photonics
