Систему капель жидкости научили играть в крестики-нолики
Искусственный интеллект и высокопроизводительная обработка данных стремительно увеличивают потребность в энергии. Одним из решений могут быть нейроморфные вычисления, организованные по подобию мозга — удивительно энергоэффективной системы.
В рамках этой парадигмы в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL) разработали платформу на основе капель жидкости, использующую ионы для выполнения простых нейроморфных вычислений. Благодаря кратковременной памяти, которой обладают капли, их удалось научить игре в крестики-нолики и распознаванию рукописных цифр. Результаты захватывающих экспериментов опубликованы в журнале Science Advances.
Авторы вдохновлялись человеческим мозгом, который выполняет вычисления с помощью ионов, а не электронов. Перемещение ионов в жидкостях требует меньших затрат энергии, чем движение электронов в твердотельных устройствах.
«Вспомните, что вы ели на завтрак, — предложил старший автор исследования Александр Ной из LLNL. — Энергии уйдет немного — но на самом деле это довольно сложные вычислительные задачи и обработка информации».
Исследователи создали мягкую, гибкую и компактную платформу. Устройство относительно простое: две капли раствора соли, покрытые липидами — нерастворимыми в воде жироподобными соединениями. Капли соприкасаются в масляной среде и образуют бислой (два слоя липидов), имитирующий клеточную мембрану. В каждую каплю вставлен электрод, через который подается управляющее напряжение.
Результаты капельных вычислений снимают, замеряя проходящий через них ток. Если бы это были просто капли — реакция на конкретный импульс напряжения была бы всегда одинаковой. Но поскольку это, по сути, капельные синапсы с памятью — они показывают немного разный ток в зависимости от ранее подававшегося напряжения.
Эксперименты с каплями разработчики сравнили с опытами Павлова над собаками. Обычно высокое напряжение приводит к большому току на выходе. Подавая системе капель повторяющиеся тренировочные импульсы низкого и высокого напряжения, ученые смогли наблюдать высокий выходной ток при низком напряжении. Другими словами, они научили «собаку» (то есть капли) выделять слюну (выдавать высокий ток) не только при виде еды (высокий входной потенциал), но и при звонке колокольчика (низкий потенциал).
«Довольно удивительно, как такой простой объект может выполнять эти функции», — заметил первый автор статьи Чжонву Ли из LLNL.
Возможности «капельного интеллекта» проверили в сотрудничестве с Южно-Калифорнийским университетом и Google Research. Систему научили играть в крестики-нолики и распознавать цифры с помощью алгоритмов резервуарных вычислений.
Для распознавания цифр каплям подавалось напряжение в виде «кода» для каждого пикселя изображения. Поскольку капли обладают памятью, каждый код приводил к разному выходному току. На этапе обучения команда сопоставляла этот выходной сигнал с правильной цифрой. После этого капля могла идентифицировать новые рукописные цифры.
Затем капли соревновались с компьютером в игре в крестики-нолики. Ходы вводились опять же в виде кодов напряжения, а выходной сигнал сопоставлялся с тем, какой ход должна сделать капля. После обучения система капель стабильно играла с машиной вничью.
Пока это только демонстрация принципа, которая никак не может конкурировать с современными компьютерными чипами, — но с очень впечатляющими перспективами.
«Не думаю, что в ближайшее время кто-то из нас будет заменен каплями. Но это круто, что каплю можно научить играть в настольную игру», — заключил Ной.
