Как ученые создают принципиально новый нейроморфный компьютер

Денис Гриценко

Российские ученые работают над созданием первого в нашей стране искусственного нейрона, который необходим для разработки компьютера, имитирующего человеческий мозг. Этот элемент принято называть нейристором. Ранее специалисты уже научились делать мемристоры, которые имитируют работу синапсов мозга. Если соединить их с нейристором, то можно получить чип, способный просчитывать самые совершенные на данный момент нейросетевые алгоритмы на физическом уровне. По словам экспертов, это откроет множество возможностей, а частности такие устройства можно будет устанавливать на роботов, дроны и другое оборудование.

Подсмотрели у природы

Специалисты МФТИ разрабатывают первый отечественный нейристор - искусственный аналог нейрона, который должен стать одной из ключевых частей будущего нейроморфного компьютера, имитирующего человеческий мозг. Ученые уже могут делать мемристоры, которые играют роль синапсов (передают импульс между нейронами), поэтому, если им удаться сконструировать аналог нервной клетки, это значительно приблизит их к физическому воплощению нейронной сети.

- Нужны специальные чипы, которые смогут исполнять все нейросетевые алгоритмы на физическом уровне без необходимости программной обработки. Для этого необходимы специальные элементы - мемристоры, имитирующие работу синапсов, и нейристоры, имитирующие нейроны. Если их соединить так, как это работает в человеческом мозге, то самые новые и совершенные алгоритмы будут более эффективно и быстро исполняться "в железе", - сказал старший научный сотрудник лаборатории функциональных материалов и устройств для наноэлектроники Антон Ханас.

Современные нейросетевые технологии активно развиваются в своей программной части. Однако эти алгоритмы все еще просчитывают на обычных электронных компьютерах. Для этого нужны очень мощные вычислительные машины и огромное количество энергии, поэтому возможности нейросетей нельзя использовать в компактном автономном устройстве. Как только ученым удаться создать нейроморфоный компьютер, его можно будет установить на БПЛА, роботов и другое оборудование, пояснили разработчики.

Нейрон в человеческом мозге имеет множество входов - дендритов и один выход - аксон, через который электрический импульс передается следующему нейрону. Каждая нервная клетка принимает множество импульсов от соседних, и в результате этого внутри нейрона на некоторое время повышается заряд. Как только он превышает какое-то пороговое значение, срабатывает механизм выстреливания, и импульс передается дальше.

Чтобы воспроизвести этот процесс искусственно, ученым необходимо три элемента. Во-первых, емкость - аналог мембраны нейрона, где накапливается заряд. Во-вторых, механизм порогового срабатывания при определенном напряжении, и в-третьих, механизм утечки заряда, если этот порог не пройден.

- Нам интересно реализовать переменную емкость, чтобы можно было имитировать участки мозга, где она различается. Это даст нам разные режимы работы нейронов. Для этого можно использовать обычные конденсаторы из радиотехнического магазина. А в качестве порогового переключателя мы применяем старые советские газоразрядные лампы. Для утечек можно использовать тонкие пленки, - сказал Антон Ханас.

Ученые уже обладают прототипами порогового переключателя и емкости.

Мемристор Икс: нейронную сеть научили имитировать работу мозга
Как встроенный в модель ИИ элемент позволит создавать принципиально новую микроэлектронику

Новые возможности

- Если ученым МФТИ в итоге удастся собрать все имеющиеся у них элементы в единую систему - нейристор, это будет большим достижением. Если они представят полностью работоспособное устройство, это откроет возможность для разработки аппаратной нейронной сети. Но это уже более сложная задача, и на нее потребуется много времени. По меньшей мере несколько лет. Скорее всего, в первую очередь технология будет использоваться для систем компьютерного зрения для распознавания различных объектов, - отметил доцент кафедры информатики и программного обеспечения вычислительных систем НИУ МИЭТ Петр Федоров.

Создание нейроморфного компьютера откроет возможность "переобучать" оборудование под меняющиеся условия, считает доцент кафедры автоматики и процессов управления СПбГЭТУ "ЛЭТИ" Дмитрий Каплун.

- Обучением ИИ на конкретном устройстве сейчас занимаются буквально все. Но пока не хватает мощностей, чтобы размещать большие нейросети на компактной технике. Например, если робота оснастить аппаратной нейроннной сетью, он сможет легко адаптироваться под изменения окружающей среды. А беспилотник с таким вычислителем мог бы научиться обходить помехи, - сказал он.

Нейронная бомба: в России создают процессор для искусственного разума
Новое устройство позволит в несколько раз увеличить скорость распознавания лиц, перевода речи на другой язык и анализа снимков компьютерной томографии

По словам генерального директора информационно-аналитического агентства TelecomDaily Дениса Кускова, в случае успеха разработчиков применять аппаратные нейронные сети будут как корпоративные, так и персональные потребители.

- Сейчас весь мир идет к тому, чтобы сдвигать все сложные вычисления ближе к конечным устройствам, а не отсылать данные на удаленные серверы. Однако, чтобы оснастить, например, смартфон аппаратной нейронной сетью, нужно понять, какие будут требования к оборудованию и ПО, сколько для этого нужно внутренней оперативной памяти и какой процессор. Нужно, чтобы гаджет был готов к размещению подобных элементов, - сказал Денис Кусков.

Также специалисты МФТИ разрабатывают специальную электронику для работы с нейристорами, чтобы сделать их совместимыми с обычными компьютерами.