Капли воды научили играть в «крестики-нолики»

Вчера в 20:30 / Наука → Новости / Наука

Художественное изображение двух капель воды, играющих в «крестики-нолики». Автор: EllaMaru Studio для LLNL

Искусственный интеллект и высокопроизводительные вычисления увеличивают спрос на мощные источники энергии. Однако нейроморфные вычисления, которые имитируют структуру и функции человеческого мозга, могут предложить новую парадигму энергоэффективных вычислений.

Исследователи из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL) создали платформу на основе капель, использующую ионы для выполнения простых нейроморфных вычислений. Используя способность системы сохранять кратковременную память, команда научила её распознавать рукописные цифры и играть в «крестики-нолики». Работа опубликована в журнале Science Advances.

Авторы вдохновлялись человеческим мозгом, который вычисляет с помощью ионов, а не электронов. Ионы перемещаются через жидкости, и их движение может требовать меньше энергии, чем перемещение электронов в твердотельных устройствах.

«Подумайте, что вы ели на завтрак, — сказал учёный LLNL и старший автор исследования Александр Ной. — Это не так много энергии, но вы способны выполнять довольно сложные вычислительные задачи и обработку информации».

Основываясь на этой идее, Ной и его коллеги создали мягкую, гибкую и компактную платформу. Их устройство относительно простое: две капли солёной воды, окружённые липидами — жироподобными соединениями, которые не растворяются в воде. Капли находятся в масле, где они соприкасаются и образуют бислой (два слоя липидов), имитирующий клеточную мембрану. В каждую каплю вставлен электрод, через который подаётся напряжение. Затем команда измеряет ток, протекающий через пару капель.

Этот ток — ключ к вычислениям. В системе без памяти реакция на определённый импульс напряжения всегда была бы одинаковой. Однако в капельной системе исследователи наблюдали поведение, связанное с памятью: устройство выдавало немного разный ток в зависимости от ранее поданного напряжения.

Команда проиллюстрировала это поведение примером, напоминающим эксперимент Павлова с собакой. Обычно высокое напряжение приводит к высокому току на выходе. Но, подавая системе повторяющиеся импульсы низкого и высокого напряжения, учёные смогли добиться высокого выходного тока даже при низком напряжении. Другими словами, они научили «собаку» (то есть капли) «выделять слюну» (выдавать высокий ток) не только при виде «еды» (высокое напряжение), но и при «звоне колокольчика» (низкое напряжение).

«Удивительно, как такой простой объект может выполнять подобные функции», — сказал Чжунву Ли, постдок LLNL и первый автор статьи.

Разобравшись с возможностями памяти капель, авторы сотрудничали с исследователями в области компьютерных наук из Университета Южной Калифорнии и Google Research, чтобы с помощью алгоритмов резервуарных вычислений научить систему распознавать рукописные цифры и играть в «крестики-нолики».

Для распознавания цифр каплям подавалось напряжение, соответствующее каждому пикселю изображения. Благодаря памяти капель каждый «код» приводил к разному выходному току. На этапе обучения команда сопоставила эти выходные данные с правильными цифрами. После обучения система смогла распознавать новые рукописные цифры.

Затем капли сыграли в «крестики-нолики» против стандартного компьютера. Ходы также вводились в виде кодов напряжения, а выходные данные определяли следующий ход капель. После обучения система смогла стабильно играть вничью с компьютером.

Эта демонстрация принципа пока не конкурирует с современными компьютерными чипами, которые гораздо быстрее и сложнее, но авторы подчеркнули, что технологию стоит исследовать для будущих энергоэффективных вычислений.