Слизевик вдохновил ученых на создание нового типа компьютеров
Исследователи Университета Васэда в Японии разработали математическую модель для нового типа компьютеров, вдохновленного поведением слизевиков. Как сообщается в исследовании, опубликованном в журнале Physical Review Research, такая система сможет решать сложные задачи оптимизации и при этом потреблять меньше энергии, чем традиционные вычислительные системы.
В качестве теста исследователи использовали задачу коммивояжера. Компьютеру нужно найти самый короткий маршрут через заданное число городов, посетив каждый из них один раз и вернувшись в начальную точку.
В основе исходной модели лежит поведение слизевика. В природе этот одноклеточный организм постоянно меняет форму, вытягивая отростки в подходящие участки и сокращая их там, где условия хуже. Исследователи превратили этот принцип в вычислительный алгоритм.
В модели амеба находится в центре круглого устройства, от которого расходятся дорожки. Каждая из них соответствует определенному городу и позиции в маршруте. Когда участок освещен, ветвь сокращается, а в темных местах она растет в поисках питательных веществ. Так постепенно формируется вариант маршрута, а длина ветвей и характер освещения служат частью вычислений.
Проблема в том, что первоначальная модель слишком сложна для переноса в реальные устройства. В ней используются многочисленные условные операции и функции, а сама система подчиняется закону сохранения объема. Из-за этого выбор материалов и физических принципов для ее воплощения сильно ограничен.
Модель сделали проще
Доцент Юсуке Миядзима и профессор Масахито Мочизуки предложили изменить сразу несколько элементов алгоритма. Они заменили сложные математические функции более простыми, убрали условные ветвления и операции подсчета, а также сняли ограничение, связанное с сохранением объема.
«Наш подход устраняет важное ограничение — закон сохранения объема, что позволяет создавать компьютеры на основе слизистых плесеней, используя гораздо более широкий спектр материалов и физических явлений», — объясняет Миядзима.
Исследователи также добавили настраиваемый параметр, с помощью которого можно менять характеристики модели и подбирать более эффективный режим работы.
На тестах новая версия справлялась с задачами за меньшее число итераций, чем предыдущие варианты. Она также смогла работать с задачами на 180 городов. Для сравнения, улучшенная версия исходной модели была рассчитана на 100 городов, а оригинальная — на 30.
Слизевик оказался похож на нейросеть
Авторы обнаружили еще одну особенность. Их математическая модель оказалась эквивалентна рекуррентной нейронной сети с фиксированными весами. В такой сети веса определяют силу связей между элементами. В данном случае они соответствуют расстояниям между городами или штрафам за нарушение условий маршрута.
Это позволяет предположить, что вычисления, возникающие при изменении формы слизевика, и работа некоторых нейронных сетей могут опираться на один и тот же математический принцип.
Авторы считают, что упрощенная модель подойдет для создания физических вычислительных систем на основе разных материалов и явлений. Среди возможных вариантов они называют фотонные схемы, спинтронные устройства, а также механические и жидкостные системы.
Отдельно исследователи показали пример реализации на спинтронных устройствах. Такие системы устойчивы к высоким температурам и радиации и могут работать с небольшим энергопотреблением.
«Повышенная гибкость нашей модели может ускорить разработку энергоэффективных компьютеров на основе слизистых плесеней, — говорит Мочизуки. — Этот децентрализованный режим обработки информации может оказаться ценным для искусственного интеллекта и крупномасштабной комбинаторной оптимизации, где обычные компьютеры потребляют значительное количество энергии».
